Físicos acabaram de alcançar uma nova menor medida da massa de uma partícula fantasma

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O espectrômetro principal do experimento KATRIN. Créditos: Markus Breig / KIT.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

O decaimento radioativo de isótopos de hidrogênio acaba de nos dar a menor medida já feita da massa de um neutrino.

Ao medir a distribuição de energia dos elétrons liberados durante o decaimento beta do trítio, físicos determinaram que o limite superior para a massa do antineutrino do elétron é de apenas 0,8 elétron-volt. Isso é 1,6 × 10–36 quilogramas, algo muito, muito, muito pequeno.

Embora ainda não tenhamos uma medida precisa, reduzi-la nos aproxima de entender essas partículas estranhas, o papel que elas desempenham no Universo e o impacto que podem ter em nossas teorias atuais da física. A conquista foi feita no Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN – Experimento de Neutrino de Trítio do Karlsruhe, na tradução livre) na Alemanha.

“A segunda iniciativa de medição de massa de neutrinos do KATRIN, apresentada aqui, atingiu a sensibilidade subelétron-volt”, escreveram os pesquisadores em seu estudo. “Combinado com a primeira iniciativa, definimos um limite superior refinado de mν<0,8 elétron-volts. Portanto, reduzimos a faixa permitida de modelos de massa de neutrinos quase degenerados e fornecemos informações independentes do modelo sobre a massa de neutrinos, que permite o teste de modelos cosmológicos não padronizados”.

Neutrinos são muito peculiares. Eles estão entre as partículas subatômicas mais abundantes do Universo, semelhantes aos elétrons, mas sem carga e quase sem massa. Isso significa que eles raramente interagem com a matéria normal; na verdade, bilhões estão passando pelo seu corpo agora.

É por isso que os chamamos de partículas fantasmas. Também os torna incrivelmente difíceis de detectar. Temos alguns métodos de detecção – como detectores de neutrinos Cherenkov – mas estes são indiretos, captando os efeitos dos neutrinos que passam, em vez dos próprios neutrinos.

Tudo isso significa que medir a massa próxima de zero dessas partículas é um desafio particularmente difícil. Mas, se pudermos obter uma medida dessa propriedade, haverá muito mais que podemos aprender sobre o Universo. Infelizmente, você não pode simplesmente pegar uma pequena balança, colocar um neutrino nela e tá tudo feito.

KATRIN aproveita o decaimento beta de um isótopo radioativo instável de hidrogênio chamado trítio para sondar a massa de um neutrino. Dentro da câmara de 70 metros, o gás trítio decai em hélio, um elétron e um antineutrino de elétron, enquanto um espectrômetro enorme e sensível sonda os resultados.

Como os neutrinos são tão fantasmagóricos, não é possível medi-los. Mas os físicos têm certeza de que uma partícula e sua antipartícula distribuem massa e energia uniformemente; portanto, se você medir a energia dos elétrons, poderá derivar a energia do neutrino.

Foi assim que a equipe obteve o limite superior de 1 elétron-volt para a massa do neutrino em 2019. Para refinar esse resultado, a equipe combinou um aumento no número de decaimentos de trítio com métodos para reduzir a contaminação de outros tipos de decaimento radioativo, resultando em seu limite superior refinado.

“Esse trabalho árduo e complicado foi a única maneira de excluir um viés sistemático de nosso resultado devido a processos distorcidos”, disseram os físicos Magnus Schlösser, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, e Susanne Mertens, do Instituto Max Planck de Física, na Alemanha. “Estamos particularmente orgulhosos da nossa equipe de análise que aceitou este enorme desafio com grande empenho e foi bem sucedida”.

O resultado marca a primeira vez que as medições de um neutrino ficaram abaixo do limiar de 1 elétron-volt. É um resultado importante que, embora ainda não tenha uma massa exata, permitirá aos cientistas refinar modelos físicos do Universo.

Enquanto isso, a colaboração continuará fazendo tentativas de refinar as medições da massa do neutrino.

“Mais medições da massa de neutrinos continuarão até o final de 2024”, disseram os pesquisadores. “Para esgotar todo o potencial deste experimento exclusivo, aumentaremos constantemente as estatísticas de eventos de sinal e desenvolveremos e instalaremos continuamente atualizações para reduzir ainda mais a taxa de fundo”.

Os resultados foram publicados na Nature Physics.