Qual é a massa de um neutrino em repouso? Esta é uma das grandes questões sem resposta da física. Os neutrinos desempenham um papel central na natureza. Uma equipe liderada por Klaus Blaum, Diretor do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, deu agora uma importante contribuição na "pesagem" dos neutrinos como parte da colaboração internacional do ECHo. Suas descobertas foram publicadas na Nature Physics .



Usando uma armadilha de Penning, mediu a mudança na massa de um isótopo de hólmio-163 com extrema precisão quando seu núcleo captura um elétron e se transforma em disprósio-163. A partir disso, foi possível determinar o valor Q com 50 vezes mais precisão do que antes. Usando um valor Q mais preciso, possíveis erros sistemáticos na determinação da massa do neutrino podem ser revelados.

Na década de 1930, descobriu-se que nem a energia nem o equilíbrio do momento estão corretos no decaimento beta radioativo de um núcleo atômico. Isso levou ao postulado de “partículas fantasmas” que “secretamente” carregam energia e impulso. Em 1956, a prova experimental de tais neutrinos foi finalmente obtida. O desafio:os neutrinos só interagem com outras partículas de matéria através da interação fraca que também está subjacente ao decaimento beta de um núcleo atómico.

Por esta razão, centenas de triliões de neutrinos do cosmos, especialmente do Sol, podem passar pelos nossos corpos a cada segundo sem causar qualquer dano. Colisões extremamente raras de neutrinos com outras partículas de matéria só podem ser detectadas com detectores enormes.

Os neutrinos solares trouxeram outra revelação inovadora:os três tipos de neutrinos conhecidos até agora podem se transformar uns nos outros. No entanto, essas “oscilações de neutrinos” tiveram sérias consequências para a visão mundial da física de partículas. Anteriormente, presumia-se que os neutrinos não tinham massa de repouso, como os fótons.

Isto seria compatível com o modelo padrão da física de partículas, a melhor descrição do mundo das partículas até hoje. No entanto, as oscilações forçaram uma massa de repouso para os neutrinos – mais uma indicação de que deve existir uma nova física além do modelo padrão.

Conhecer a massa exata de repouso do neutrino seria, portanto, um caminho aberto para o mundo desconhecido da nova física. Infelizmente, não se pode simplesmente colocar um neutrino numa escala. Isto requer experimentos extremamente complexos em processos físicos tecnicamente acessíveis envolvendo neutrinos.

“Uma forma é o decaimento beta do trítio”, explica Christoph Schweiger, estudante de doutorado no departamento de Klaus Blaum no Instituto Max Planck de Física Nuclear. Aqui, um dos dois nêutrons do hidrogênio superpesado decai em um próton e emite um elétron e um neutrino, transformando assim o átomo em hélio mais leve. Este processo é “pesado” pelo experimento KATRIN no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe.

“O caminho complementar é a captura de elétrons do isótopo artificial hólmio-163”, continua Schweiger. Aqui, o núcleo atômico captura um elétron da camada eletrônica interna, por meio do qual um próton é convertido em um nêutron, resultando no elemento disprósio-163. Isto também libera um neutrino, entre outras coisas. A colaboração internacional ECHo, na qual os cientistas da Heidelberg estão envolvidos, tenta medir este processo de decaimento energeticamente com extrema precisão.

De acordo com E =mc de Einstein ² , massa e energia são equivalentes, portanto, medir energia pode ser equiparado a pesar massas. Como um “calorímetro”, o ECHo mede com extrema precisão a energia total liberada neste decaimento:isso corresponde ao máximo do valor Q menos a massa restante do neutrino liberado. Para tanto, o isótopo hólmio-163 é incorporado a uma camada de átomos de ouro.

“No entanto, estes átomos de ouro podem ter influência no hólmio-163”, explica Schweiger. "Portanto, é importante medir o valor de Q com a maior precisão possível usando um método alternativo e compará-lo com o valor determinado calorimetricamente, a fim de detectar possíveis fontes sistemáticas de erro."

É aqui que entram em cena o experimento da pentatrap de Heidelberg e a tese de doutorado de Schweiger. Pentatrap consiste em cinco armadilhas Penning. Nessas armadilhas, átomos eletricamente carregados podem ser capturados em uma combinação de campos elétricos e magnéticos estáticos.

Esses íons realizam uma intrincada “dança circular”, que permite que sua massa seja determinada com extrema precisão. “Com um Airbus A-380 com carga máxima, você poderia usar essa sensibilidade para determinar se uma única gota d'água caiu sobre ele”, diz o físico, ilustrando as capacidades desta superescala.

Em princípio, uma armadilha Penning funciona como um balanço. Se você colocar duas crianças de pesos diferentes, uma ao lado da outra, em dois balanços do mesmo tipo e empurrá-las com a mesma força, observará gradualmente uma mudança nas frequências do balanço. Isso pode ser usado para calcular a diferença de peso entre as duas crianças.

No caso do experimento pentatrap, esta é a diferença de massa entre um íon hólmio-163 e um íon disprósio-163. Além disso, quanto mais rápido ambas as crianças balançarem, mais cedo será obtido o resultado, que também é muito mais preciso para o mesmo tempo de observação do que para o balanço lento.

Por esta razão, a equipe removeu 38, 39 e 40 elétrons dos íons “altamente carregados” em três séries diferentes de medições, o que torna sua “dança circular” consideravelmente mais rápida. “Se tudo funcionar, a medição levará apenas algumas semanas”, diz Schweiger.

A partir das diferenças de massa como resultado de várias medições de frequência, via E =mc ² os cientistas de Heidelberg finalmente conseguiram determinar um valor Q para a captura de elétrons 50 vezes mais preciso do que antes. “A contribuição dos três grupos teóricos, incluindo o grupo de Christoph Keitel aqui no instituto, foi tão importante quanto a nossa medição”, enfatiza Schweiger.

Além da diferença de frequência entre os dois íons, uma segunda variável tem influência significativa no valor de Q determinado:a energia armazenada no sistema eletrônico restante de um íon altamente carregado. Como um íon tão grande é um sistema multipartículas, o cálculo foi correspondentemente complexo.

Descobriu-se que os cálculos resultaram quase exatamente nos mesmos valores de Q para os três estados de carga medidos com 38, 39 e 40 elétrons removidos. Isto deixou claro que as incertezas sistemáticas na experiência e na teoria poderiam ser descartadas, enfatiza Schweiger com entusiasmo. E o que isso significa para as massas de neutrinos?

KATRIN determinou o limite superior mais preciso até o momento da massa do neutrino "pesando" 0,8 elétron-volt por velocidade da luz ao quadrado, o que corresponde a um inimaginável 0,0000000000000000000000000000000014 quilograma.

Esta ordem de magnitude de 10 ^-36 corresponde aproximadamente à relação em peso entre quatro passas e o sol. E isso é apenas um limite superior. A análise da distribuição de massa estimada no universo chega até a um limite superior significativamente inferior das massas dos neutrinos de 0,12 elétron-volt por velocidade da luz ao quadrado.

“No entanto, esta análise é altamente complexa e depende do modelo cosmológico utilizado”, diz Schweiger. De qualquer forma, é claro que qualquer pessoa que queira pesar neutrinos enfrenta desafios extremos, no limite do que é tecnicamente possível. Neste contexto, o resultado de Heidelberg é um grande passo em frente no caminho para resolver o mistério das massas de neutrinos.

Mais informações: Medição direta de alta precisão por armadilha Penning do valor Q da captura de elétrons em 163Ho para a determinação da massa do neutrino do elétron, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02461-9
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido por Sociedade Max Planck