IceCube se aproxima da natureza misteriosa dos neutrinos

O observatório baseado na Antártica encontrou pistas de padrões estranhos nas massas das partículas fantasmagóricas.

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O Laboratório IceCube na Estação Amundsen-Scott do Polo Sul, na Antártida. Bem abaixo, os detectores passam por um quilômetro cúbico de gelo pristino, formando um potente observatório para estudar neutrinos cósmicos. Crédito: Erik Beiser, IceCube, NSF.

Artigo traduzido de Scientific American. Autor: Calla Cofiel.

Enterrado sob o gelo antártico, o experimento IceCube foi projetado principalmente para capturar partículas chamadas neutrinos que são produzidas por poderosos eventos cósmicos, mas também está ajudando os cientistas a aprender sobre a natureza fundamental dessas partículas fantasmagóricas.

Em uma reunião da American Physical Society (APS) em Washington, DC, os cientistas da colaboração IceCube apresentaram novos resultados que contribuem para desvendar um mistério sobre a natureza dos neutrinos. Essas partículas atingem a Terra vindas do Sol, mas na maioria delas passam desimpedidas, como fantasmas, através da matéria comum.

Os novos resultados suportam a evidência de uma simetria estranha nas medidas de uma massa do neutrino. Na física de partículas, as simetrias frequentemente indicam uma física subjacente que os cientistas ainda não descobriram.

O mistério da massa dos neutrinos

Neutrinos são partículas fundamentais da natureza. Eles não são uma das partículas que compõem átomos. Neutrinos muito raramente interagem com a matéria comum, então eles realmente não afetam os seres humanos (a menos, é claro, que você seja um físico de partículas que os estuda). O Sol gera neutrinos em massa, mas na maior parte, essas partículas atravessam a Terra, como fantasmas.

O IceCube Neutrino Observatory é um detector de neutrinos enterrado sob 1,45 km de gelo na Antártida. O gelo fornece um escudo de outros tipos de radiação e partículas que de outra forma esconderia os casos raros de neutrinos interagindo com o detector e criando um sinal para os cientistas estudarem.

Neutrinos aparecem em três “sabores”: o neutrino tau, o neutrino múon e o neutrino elétron. Durante muito tempo, os cientistas debateram se os neutrinos tinham massa ou se eram semelhantes aos fótons (partículas de luz), que são considerados sem massa. Eventualmente, os cientistas mostraram que os neutrinos têm massa, e o Prêmio Nobel de 2015 foi concedido pelo trabalho com neutrinos, incluindo pesquisas sobre massas de neutrinos.

Mas dizer que os neutrinos têm massa não é o mesmo que dizer que uma rocha ou uma maçã tem massa. Neutrinos são partículas que existem no mundo quântico, e o mundo quântico é estranho – a luz pode ser tanto uma onda como uma partícula;  os gatos podem estar vivos e mortos. Portanto, não é que cada sabor de neutrino tenha sua própria massa, mas sim que os sabores de neutrinos se combinam no que são chamados de “eigenstates de massa”, e é isso o que os cientistas medem. (Para fins de simplicidade, uma declaração da Michigan State University descrevendo os novos achados chama os eigenstates de massa de “espécies de neutrinos”.)

“Uma das questões pendentes é saber se há um padrão para as frações que entram em cada espécie de neutrinos”, Tyce DeYoung, professor associado de física e astronomia na Universidade do Estado de Michigan e um dos colaboradores do IceCube trabalhando na nova descoberta, disse ao Space.com.

Uma espécie de neutrino parece ser composta principalmente de neutrinos de elétrons, com alguns neutrinos de múon e tau; a segunda espécie de neutrino parece ser uma mistura quase igual de todos os três; e o terceiro ainda é um mistério, mas um estudo prévio sugeriu que poderia ser meio múon, meio tau, com apenas alguns neutrinos de elétron.

Na reunião da APS, Joshua Hignight, pesquisador pós-doutorado da Michigan State University que trabalha com DeYoung, apresentou resultados preliminares do IceCube que suportam a divisão igual de neutrinos de múon e tau nessa terceira espécie de massa.

“Esta questão de saber se o terceiro tipo tem partes exatamente iguais de múon e tau é chamado de questão da mistura máxima”, disse ele. “Como não sabemos o porquê dessa espécie de neutrinos ser exatamente metade e metade, seria uma coincidência realmente surpreendente ou possivelmente estamos falando sobre algum princípio físico que ainda não descobrimos”.

Em geral, qualquer característica do universo pode ser explicada por um processo aleatório ou por alguma regra que rege a maneira como as coisas se comportam. Se o número de neutrinos de múon e tau na terceira espécie de neutrino fosse determinado aleatoriamente, haveria probabilidades muito maiores de que esses números não fossem iguais.

“Para mim, isso é muito interessante, porque implica uma simetria fundamental”, disse DeYoung.

Para entender melhor o porquê do número igual de neutrinos de múon e tau nas espécies de massa implica não-aleatoriedade, DeYoung deu o exemplo de cientistas descobrindo que prótons e nêutrons (as duas partículas que compõem o núcleo de um átomo) têm massas muito semelhantes. Os cientistas que primeiro descobriram essas massas poderiam ter se perguntado se essa semelhança era uma mera coincidência ou o produto de alguma semelhança subjacente.

Acontece que é o último: neutros e prótons são feitos de três partículas elementares chamadas quarks (embora uma combinação diferente de duas variedades de quark). Nesse caso, uma semelhança na superfície indicava algo escondido abaixo, disseram os cientistas.

Os novos resultados do IceCube são “geralmente consistentes” com os resultados recentes da experiência de neutrinos T2K no Japão, que se dedica a responder a perguntas sobre a natureza fundamental dos neutrinos. Mas o experimento de Nova, baseado no Laboratório Nacional de Aceleração de Fermi fora de Chicago, não “promove a simetria exata” entre os neutrinos de múon e tau na terceira espécie de massa, de acordo com DeYoung.

“Isso é uma tensão, que não é uma contradição direta neste momento”, disse ele. “É o tipo de concordo-mas-não-muito que vamos estar lidando nos próximos dois anos.”

O IceCube foi projetado para detectar neutrinos de alta energia de fontes cósmicas distantes, mas a maioria das experiências com neutrinos na Terra detecta neutrinos de baixa energia do Sol ou reatores nucleares na Terra. T2K e Nova detectam neutrinos em cerca de uma ordem de magnitude menor de energia que o IceCube. A consistência entre as medições feitas por IceCube e T2K é um teste de “robustez da medição” e “um sucesso para nossa teoria padrão” da física do neutrino, DeYoung disse.

Neutrinos não afetam o dia-a-dia da maioria das pessoas, mas os físicos esperam que, ao estudar essas partículas, eles possam encontrar pistas sobre alguns dos maiores mistérios do cosmos. Um desses mistérios cósmicos poderia incluir uma explicação para a matéria escura, o material misterioso que é cinco vezes mais comum no universo do que a matéria “regular”, que compõe planetas, estrelas e todos os objetos visíveis no cosmos. A matéria escura tem atração gravitacional sobre a matéria regular, e moldou a paisagem cósmica ao longo da história do universo. Alguns teóricos pensam que a matéria escura pode ser um novo tipo de neutrino.

Os resultados do IceCube ainda são preliminares, de acordo com DeYoung. Os cientistas planejam apresentar os resultados finais para publicação depois de terem terminado de executar a análise estatística completa dos dados.

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