Pesando a partícula mais leve

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KATRIN collaboration.

Artigo traduzido de Symmetry Magazine. Autor: Diana Kwon.

Os neutrinos estão em toda parte. A cada segundo, 100 trilhões deles passam despercebidos através do seu corpo, quase nunca interagindo. Embora extremamente abundantes, são as partículas mais leves da matéria, e os físicos de todo o mundo estão tentando medir sua massa.

Durante muito tempo, os físicos pensaram que os neutrinos não tivessem massa. Essa crença foi derrubada pela descoberta de que neutrinos oscilam entre três sabores: elétron, múon e tau. Isso acontece porque cada sabor contém uma mistura de três tipos de massa (neutrino-1, neutrino-2 e neutrino3) que viajam a velocidades ligeiramente diferentes.

De acordo com as medições realizadas até agora, os neutrinos devem pesar menos de 2 elétron-volts (uma fração diminuta da massa do pequeno elétron, que pesa 511 mil elétron-volts). Uma nova geração de experiências está tentando reduzir este limite e, possivelmente, identificar a massa real dessa partícula elusiva.

De onde vem a energia?

Os neutrinos foram inicialmente propostos pelo físico teórico austríaco Wolfgang Pauli para resolver um problema com o decaimento beta. No processo de decaimento beta, um nêutron em um núcleo instável se transforma em um próton, emitindo um elétron. Algo sobre esse processo era especialmente intrigante para os cientistas. Durante o decaimento, um pouco de energia parecia sumir, quebrando a lei bem estabelecida da conservação de energia.

Pauli sugeriu que a energia desaparecida escapava na forma de uma outra partícula. Esta partícula foi mais tarde apelidada de neutrino pelo físico italiano Enrico Fermi.

Os cientistas estão aplicando agora o princípio da conservação de energia diretamente em experimentos da massa do neutrino. Ao medir com muita precisão a energia que os elétrons liberam durante o decaimento de átomos instáveis, os físicos podem deduzir a massa de neutrinos.

Quanto mais pesado o neutrino é, menos energia sobra para o elétron“, diz Boris Kayser, físico teórico do Fermilab. Portanto, há uma energia máxima que um elétron pode ter quando um neutrino é emitido.

Estas experiências são consideradas diretas porque elas dependem de menos hipóteses do que outras pesquisas da massa do neutrino. Por exemplo, os físicos medem a massa indiretamente, observando impressões dos neutrinos em outras coisas visíveis, como aglomerados de galáxias.

Detectando as torções

Dentre os experimentos diretos da massa do neutrino, o KATRIN, baseado no Instituto de Tecnologia Karlsruhe, na Alemanha, é o mais próximo de começar sua pesquisa.

Se tudo funcionar como planejado, eu acho que nós vamos ter belos resultados em 2017“, diz Guido Drexlin, físico do KIT e co-porta-voz do KATRIN.

 

Limpeza é fundamental dentro do espectrômetro principal. KATRIN collaboration.
Limpeza é fundamental dentro do espectrômetro principal. KATRIN collaboration.

KATRIN pretende medir a energia dos elétrons liberados a partir do decaimento do isótopo radioativo trítio. Ele vai fazer isso utilizando um tanque gigante ajustado a uma tensão precisa, que permite que apenas elétrons acima de uma energia específica passem para o detector no outro lado. Os físicos podem usar essas informações para traçar a taxa de decaimentos em qualquer energia.

A massa de um neutrino causará uma perturbação na forma deste gráfico. Cada tipo de massa do neutrino deve criar a sua própria torção. O KATRIN, com um pico de sensibilidade de 0,2 elétron-volts (100 vezes melhor do que experiências anteriores) vai olhar para uma ampla torção que os físicos podem usar para calcular a massa média do neutrino.

Outro experimento com trítio, Project 8, está tentando um método completamente diferente para medir a massa do neutrino. Os pesquisadores planejam detectar a energia de cada elétron ejetado de um decaimento beta individualmente através da medição da frequência do seu movimento em espiral em um campo magnético. Embora esteja nos estágios iniciais, ele tem o potencial para ir além da sensibilidade do KATRIN, dando aos físicos grandes esperanças para o futuro.

“O KATRIN é o melhor ele vai sair com armas em punho“, diz Joseph Formaggio, físico do MIT e co-porta-voz do Project 8. Mas se eles virem um sinal, a primeira coisa que as pessoas vão querer saber é se a torção vista é real. E nós podemos entrar e fazer um outro experimento com um método completamente diferente“.

Captura a frio

Outros estão procurando essas torções reveladoras usando um elemento completamente diferente, o hólmio, que decai por meio de um processo chamado captura de elétrons. Nestes eventos, um elétron em um átomo instável combina com um próton, transformando-o em um nêutron enquanto libera um neutrino.

Os físicos estão medindo a quantidade muito pequena de energia liberada neste decaimento, colocando a fonte de hólmio em detectores microscópicos que são operados a temperaturas muito baixas (tipicamente abaixo de –459,2°F). Cada decaimento de hólmio leva a um pequeno aumento de temperatura do detector (cerca de 1/1000 °F).

Para diminuir o limite para a massa do neutrino do elétron, você precisa de um bom termômetro que possa medir estas mudanças muito pequenas de temperatura com alta precisão“, diz Loredana Gastaldo, física da Universidade de Heidelberg e porta-voz do experimento ECHo.

Atualmente, existem três experimentos com hólmio, o ECHo e o HOLMES na Europa e o NuMECs nos EUA, que estão em vários estágios de testar seus detectores e produzir isótopos de hólmio.

As experiências com hólmio e trítio ajudarão a diminuir o limite de quão pesados os neutrinos podem ser, mas pode ser que nenhum deles seja capaz de determinar definitivamente sua massa. Isso provavelmente vai exigir uma combinação de ambos os experimentos diretos e indiretos para fornecer aos cientistas as respostas que eles procuram ou os físicos podem encontrar resultados completamente inesperados.

Não aposte nos neutrinos“, diz Formaggio. “Eles são imprevisíveis“.

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