Experimento encontra possíveis evidências para uma nova partícula fundamental

Um experimento no Fermi National Accelerator Laboratory perto de Chicago detectou muito mais neutrinos de elétrons do que o previsto - um possível prenúncio de uma nova partícula revolucionária chamada neutrino estéril, embora muitos físicos continuem céticos.

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Dentro do tanque MiniBooNE, os fotodetectores captam a luz criada quando um neutrino interage com um núcleo atômico. Crédito: Reidar Hahn/Fermilab.

Por Natalie Wolchover
Publicado na Quanta Magazine

Os físicos estão emocionados e confusos com um novo relatório de um experimento de neutrinos no Fermi National Accelerator Laboratory, perto de Chicago. O experimento MiniBooNE detectou muito mais neutrinos de um tipo específico do que o esperado, uma descoberta que é mais facilmente explicada pela existência de uma nova partícula elementar: o neutrino “estéril” que é ainda mais estranho e recluso que os três tipos de neutrinos conhecidos. O resultado parece confirmar os resultados anômalos de um experimento de décadas que o MiniBooNE foi construído especificamente para checar.

A persistência da anomalia dos neutrinos é extremamente excitante, disse o físico Scott Dodelson, da Universidade Carnegie Mellon. Isso “indicaria que algo está realmente acontecendo”, acrescentou Anže Slosar, do Brookhaven National Laboratory.

Quanto a quê, ninguém pode dizer.

“Estou muito animado com este resultado, mas não estou pronto para dizer ‘Eureka!'”, Disse Janet Conrad, física de neutrinos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e membro da colaboração MiniBooNE.

A existência de um neutrino estéril revolucionaria a física da menor à maior escala. Ele finalmente quebraria o Modelo Padrão da física de partículas que reinou desde a década de 1970. Também exigiria “um novo modelo padrão de cosmologia”, disse Dodelson. “Existem outras possíveis rachaduras nos padrões atuais”, acrescentou ele. “O paradoxo dos neutrinos pode apontar nosso caminho para um modelo novo e melhor.”

Neutrinos são partículas minúsculas que passam pelos nossos corpos aos bilhões a cada segundo, mas raramente interagem. Eles oscilam constantemente entre três tipos conhecidos, ou “sabores”, chamados de elétrons, múons e tau. O experimento MiniBooNE dispara um feixe de neutrinos do múon em direção a um tanque gigante de óleo. No caminho para o tanque, alguns desses neutrinos do múon devem se transformar em neutrinos de elétrons a uma taxa determinada pela diferença de massa entre os dois. O MiniBooNE monitora a chegada de neutrinos de elétrons, que produzem flashes característicos de radiação nas raras ocasiões em que interagem com moléculas de óleo. Em seus 15 anos de execução, a MiniBooNE registrou algumas centenas de neutrinos de elétrons a mais do que o esperado.

A explicação mais simples para o número surpreendentemente alto é que alguns neutrinos do muon estão oscilando em um quarto tipo de neutrino diferente, mais pesado – um estéril, o que significa que ele nunca interage com qualquer coisa que não seja um neutrino – e que alguns desses neutrinos estéreis pesados então oscilam em neutrinos de elétrons. A maior diferença de massa prescreve uma taxa maior de oscilações e mais detecções.

O tanque de óleo do MiniBooNE tem 12 metros de diâmetro e é revestido com 1.520 fotodetectores. Crédito: Fermilab.

O Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND), em Los Alamos, detectou uma anomalia semelhante nos anos 90, levando à construção do MiniBooNE. No entanto, outros experimentos de neutrinos que funcionam de maneira diferente do LSND e do MiniBooNE não produziram um sinal claro do suposto neutrino estéril. “É uma maldição deste negócio que algumas experiências vejam algo enquanto outras não”, disse Werner Rodejohann, do Instituto Max Planck de Física Nuclear, em Heidelberg, Alemanha.

Se os neutrinos estéreis explicarem os novos resultados, os físicos irão suar para ver como as propriedades dessas novas partículas serão compatíveis com tudo o que sabemos. Talvez o mais preocupante de tudo, as observações cosmológicas da luz do universo primitivo indicam que apenas três sabores de neutrinos existem. Para entender o LSND, o MiniBooNE e todos os outros experimentos realizados até o momento, “é necessária uma estrutura teórica completamente nova”, disse Slosar.

Além disso, o neutrino estéril em particular que poderia hipoteticamente se encaixar nos dados do MiniBooNE não resolve nenhum dos mistérios que levaram os físicos a teorizar sobre essas partículas. Se pesados ​​o suficiente, neutrinos estéreis poderiam servir como a “matéria escura” invisível que aparentemente engole as galáxias. E eles explicariam por que os neutrinos de elétrons, múons e tau são tão leves, através de um truque matemático chamado mecanismo da gangorra. Mas com menos de 1 elétron-volt, o suposto neutrino estéril do MiniBooNE não possui o peso para esses outros propósitos. “Não teríamos razão para esperar neutrinos estéreis de 1 eV”, disse Matthew Buckley, físico de partículas da Universidade Rutgers. “Não que isso tenha impedido o universo de adicionar novas partículas no passado.”

A confusão levou muitos especialistas a frear seu otimismo e suspeitar que tanto o MiniBooNE quanto o LSND tenham sido vítimas de algum erro desconhecido. Freya Blekman, um físico da Universidade Livre de Bruxelas, argumenta que os experimentos podem ter sistematicamente subestimado a taxa na qual partículas chamadas píons neutros decaem dentro do tanque de óleo da MiniBooNE – eventos que imitam o sinal de neutrinos de elétrons.

“Está claro que há algo a ser entendido e espero que seja um quarto neutrino”, disse Neal Weiner, físico teórico da Universidade de Nova York. “Dito isto, esta seria a primeira partícula descoberta além do Modelo Padrão, então o limite para a evidência é obviamente muito alto.” Por enquanto, ele disse: “Estou esperando para ver”.

Uma resposta mais definitiva virá com futuros experimentos, incluindo um chamado IsoDAR, proposto por Conrad e muitos de seus colegas. Em vez de contar o número de neutrinos de um determinado sabor no final de um feixe, ele avistará neutrinos balançando para frente e para trás entre diferentes sabores enquanto viajam, o que dará uma imagem mais completa das oscilações. “Eu não estou pronto para apostar meu dinheiro ainda porque o excesso é uma espécie de bolha”, disse Conrad. “E se alguma outra coisa pode fazer uma bolha? Para estar realmente convencido, quero ver, com grande segurança, essa manobra prevista.”

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