Em um laboratório sob uma montanha, os físicos estão usando cristais muito mais frios do que o ar congelado para estudar partículas fantasmagóricas, na esperança de aprender segredos desde o início do universo. Pesquisadores do Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) anunciaram esta semana que colocaram alguns dos limites mais rigorosos até agora sobre a estranha possibilidade de que o neutrino seja sua própria antipartícula. Os neutrinos são partículas profundamente incomuns, tão etéreas e tão onipresentes que passam regularmente por nossos corpos sem que percebamos. O CUORE passou os últimos três anos esperando pacientemente para ver evidências de um processo de decaimento nuclear distinto, apenas possível se neutrinos e antineutrinos forem a mesma partícula. Os novos dados do CUORE mostram que esse declínio não acontece por trilhões de trilhões de anos, se é que acontece. Os limites do CUORE sobre o comportamento desses minúsculos fantasmas são uma parte crucial da busca pelo próximo avanço na física de partículas e nuclear – e na busca por nossas próprias origens.
"Em última análise, estamos tentando entender a criação de matéria", disse Carlo Bucci, pesquisador do Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) na Itália e porta-voz do CUORE. "Estamos procurando um processo que viole uma simetria fundamental da natureza", acrescentou Roger Huang, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e um dos principais autores do novo estudo.

CUORE - italiano para "coração" - está entre os experimentos de neutrinos mais sensíveis do mundo. Os novos resultados do CUORE são baseados em um conjunto de dados dez vezes maior do que qualquer outra pesquisa de alta resolução, coletados nos últimos três anos. O CUORE é operado por uma colaboração internacional de pesquisa, liderada pelo Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) na Itália e pelo Berkeley Lab nos EUA. O próprio detector CUORE está localizado sob quase uma milha de rocha sólida em LNGS, uma instalação do INFN. Os físicos nucleares apoiados pelo Departamento de Energia dos EUA desempenham um papel científico e técnico de liderança neste experimento. Os novos resultados do CUORE foram publicados hoje na Nature .

Partículas peculiares

Os neutrinos estão por toda parte – há trilhões de neutrinos passando apenas pela sua unha enquanto você lê esta frase. Eles são invisíveis para as duas forças mais fortes do universo, o eletromagnetismo e a força nuclear forte, que permite que eles passem através de você, da Terra e de quase qualquer outra coisa sem interagir. Apesar de seu grande número, sua natureza enigmática os torna muito difíceis de estudar e deixou os físicos coçando a cabeça desde que foram postulados pela primeira vez há mais de 90 anos. Não se sabia nem se os neutrinos tinham alguma massa até o final dos anos 1990 – como se vê, eles têm, embora não muito.

Uma das muitas questões em aberto sobre os neutrinos é se eles são suas próprias antipartículas. Todas as partículas têm antipartículas, sua contraparte de antimatéria:elétrons têm antielétrons (pósitrons), quarks têm antiquarks e nêutrons e prótons (que compõem os núcleos dos átomos) têm antinêutrons e antiprótons. Mas, ao contrário de todas essas partículas, é teoricamente possível que os neutrinos sejam suas próprias antipartículas. Essas partículas que são suas próprias antipartículas foram postuladas pela primeira vez pelo físico italiano Ettore Majorana em 1937 e são conhecidas como férmions de Majorana.

Se os neutrinos são férmions de Majorana, isso poderia explicar uma questão profunda na raiz de nossa própria existência:por que há muito mais matéria do que antimatéria no universo. Neutrinos e elétrons são ambos léptons, um tipo de partícula fundamental. Uma das leis fundamentais da natureza parece ser que o número de léptons é sempre conservado - se um processo cria um lépton, ele também deve criar um anti-lépton para equilibrá-lo. Da mesma forma, partículas como prótons e nêutrons são conhecidas como bárions, e o número de bárions também parece ser conservado. No entanto, se os números de bárions e léptons fossem sempre conservados, haveria exatamente tanta matéria no universo quanto antimatéria - e no universo primitivo, a matéria e a antimatéria teriam se encontrado e aniquilado, e nós não existiríamos. Algo deve violar a conservação exata de bárions e léptons. Entra o neutrino:se os neutrinos são suas próprias antipartículas, então o número de léptons não precisaria ser conservado, e nossa existência se torna muito menos misteriosa.

"A assimetria matéria-antimatéria no universo ainda não foi explicada", disse Huang. "Se os neutrinos são suas próprias antipartículas, isso pode ajudar a explicar."

Nem é esta a única pergunta que poderia ser respondida por um neutrino Majorana. A extrema leveza dos neutrinos, cerca de um milhão de vezes mais leves que o elétron, há muito tempo intriga os físicos de partículas. Mas se os neutrinos são suas próprias antipartículas, então uma solução existente conhecida como "mecanismo gangorra" poderia explicar a leveza dos neutrinos de maneira elegante e natural.

Um dispositivo raro para decaimentos raros

Mas determinar se os neutrinos são suas próprias antipartículas é difícil, precisamente porque eles não interagem com muita frequência. A melhor ferramenta dos físicos para procurar neutrinos de Majorana é um tipo hipotético de decaimento radioativo chamado decaimento beta duplo sem neutrinos. O decaimento beta é uma forma bastante comum de decaimento em alguns átomos, transformando um nêutron no núcleo do átomo em um próton, alterando o elemento químico do átomo e emitindo um elétron e um anti-neutrino no processo. O decaimento beta duplo é mais raro:em vez de um nêutron se transformar em próton, dois deles o fazem, emitindo dois elétrons e dois anti-neutrinos no processo. Mas se o neutrino for um férmion de Majorana, teoricamente, isso permitiria que um único neutrino "virtual", agindo como sua própria antipartícula, tomasse o lugar de ambos os anti-neutrinos no decaimento beta duplo. Apenas os dois elétrons conseguiriam sair do núcleo atômico. O decaimento beta duplo sem neutrinos foi teorizado por décadas, mas nunca foi visto.

O experimento CUORE fez um grande esforço para capturar átomos de telúrio no ato desse decaimento. O experimento usa quase mil cristais altamente puros de óxido de telúrio, pesando coletivamente mais de 700 kg. Essa quantidade de telúrio é necessária porque, em média, leva bilhões de vezes mais do que a idade atual do universo para um único átomo instável de telúrio sofrer decaimento beta duplo comum. Mas existem trilhões de trilhões de átomos de telúrio em cada um dos cristais que o CUORE usa, o que significa que o decaimento beta duplo comum ocorre com bastante regularidade no detector, cerca de algumas vezes ao dia em cada cristal. O decaimento beta duplo sem neutrinos, se acontecer, é ainda mais raro e, portanto, a equipe do CUORE deve trabalhar duro para remover o maior número possível de fontes de radiação de fundo. Para proteger o detector dos raios cósmicos, todo o sistema está localizado sob a montanha de Gran Sasso, a maior montanha da península italiana. A blindagem adicional é fornecida por várias toneladas de chumbo. Mas o chumbo recém-extraído é ligeiramente radioativo devido à contaminação por urânio e outros elementos, com essa radioatividade diminuindo ao longo do tempo - então o chumbo usado para cercar a parte mais sensível do CUORE é principalmente o chumbo recuperado de um antigo navio romano afundado, com quase 2.000 anos de idade. .

Talvez a peça de maquinário mais impressionante usada no CUORE seja o criostato, que mantém o detector frio. Para detectar o decaimento beta duplo sem neutrinos, a temperatura de cada cristal no detector CUORE é cuidadosamente monitorada com sensores capazes de detectar uma mudança na temperatura tão pequena quanto um décimo de milésimo de grau Celsius. O decaimento beta duplo sem neutrinos tem uma assinatura de energia específica e aumentaria a temperatura de um único cristal em uma quantidade bem definida e reconhecível. Mas para manter essa sensibilidade, o detector deve ser mantido muito frio – especificamente, é mantido em torno de 10 mK, um centésimo de grau acima do zero absoluto. "Este é o metro cúbico mais frio do universo conhecido", disse Laura Marini, pesquisadora do Gran Sasso Science Institute e coordenadora de corrida da CUORE. A sensibilidade resultante do detector é verdadeiramente fenomenal. "Quando houve grandes terremotos no Chile e na Nova Zelândia, vimos vislumbres disso em nosso detector", disse Marini. "Também podemos ver as ondas quebrando na costa do mar Adriático, a 60 quilômetros de distância. Esse sinal fica maior no inverno, quando há tempestades."

Um neutrino no coração

Apesar dessa sensibilidade fenomenal, o CUORE ainda não viu evidências de decaimento beta duplo sem neutrinos. Em vez disso, o CUORE estabeleceu que, em média, esse decaimento ocorre em um único átomo de telúrio não mais do que uma vez a cada 22 trilhões de trilhões de anos. “O decaimento beta duplo sem neutrinos, se observado, será o processo mais raro já observado na natureza, com uma meia-vida mais de um milhão de bilhões de vezes maior que a idade do universo”, disse Danielle Speller, professora assistente da Universidade Johns Hopkins e membro do Conselho de Física do CUORE. "O CUORE pode não ser sensível o suficiente para detectar esse decaimento, mesmo que ocorra, mas é importante verificar. Às vezes, a física produz resultados surpreendentes, e é aí que aprendemos mais." Mesmo que o CUORE não encontre evidências de decaimento beta duplo sem neutrinos, ele está abrindo caminho para a próxima geração de experimentos. CUORE's successor, the CUORE Upgrade with Particle Identification (CUPID) is already in the works. CUPID will be over 10 times more sensitive than CUORE, potentially allowing it to glimpse evidence of a Majorana neutrino.

But regardless of anything else, CUORE is a scientific and technological triumph—not only for its new bounds on the rate of neutrinoless double beta decay, but also for its demonstration of its cryostat technology. "It's the largest refrigerator of its kind in the world," said Paolo Gorla, a staff scientist at LNGS and CUORE's Technical Coordinator. "And it's been kept at 10 mK continuously for about three years now." Such technology has applications well beyond fundamental particle physics. Specifically, it may find use in quantum computing, where keeping large amounts of machinery cold enough and shielded from environmental radiation to manipulate on a quantum level is one of the major engineering challenges in the field.

Meanwhile, CUORE isn't done yet. "We'll be operating until 2024," said Bucci. "I'm excited to see what we find." + Explorar mais

CUORE experiment constrains neutrino properties