Cientistas desvendam os segredos dos blocos de construção do Universo.

Os pesquisadores deram mais um passo para solucionar um dos maiores mistérios da ciência: por que o universo é cheio de matéria em vez de vazio. 

Escondidas em meio a fluxos de partículas fantasmagóricas, cientistas podem ter encontrado uma pista para explicar por que o universo não desapareceu após o Big Bang. Crédito: Shutterstock

Cientistas da Universidade de Indiana fizeram um grande avanço na compreensão de como o universo surgiu. O sucesso é fruto da colaboração entre duas grandes equipes internacionais de pesquisa que estudam neutrinos, partículas praticamente sem massa que fluem incessantemente pelo espaço e pela matéria, interagindo raramente com o que está ao seu redor. As descobertas, publicadas na revista Nature , aproximam os pesquisadores da solução de um dos maiores mistérios da ciência: por que o universo é repleto de matéria, estrelas, planetas e vida, em vez de ser vazio.

Essa descoberta surgiu de uma parceria sem precedentes entre dois experimentos de neutrinos de ponta: o NOvA, nos Estados Unidos, e o T2K , no Japão. Ao combinar seus dados, os cientistas estão obtendo novos conhecimentos sobre o comportamento oculto dos neutrinos e suas antipartículas, revelando potencialmente por que o universo primordial evitou a autodestruição imediatamente após o Big Bang .

Em cada experimento, feixes de neutrinos são gerados usando poderosos aceleradores de partículas e, em seguida, observados após percorrerem vastas distâncias no subsolo. Detectá-los é um enorme desafio; dentre inúmeras partículas, apenas algumas interagem de forma a deixar rastros mensuráveis. Usando detectores sofisticados e ferramentas computacionais avançadas, os pesquisadores reconstroem essas raras interações para entender como os neutrinos se transformam à medida que se movem pelo espaço.

O projeto também destaca a longa tradição da Universidade de Indiana em física de partículas. Pesquisadores da IU têm se dedicado intensamente ao desenvolvimento de componentes de detectores, à interpretação de dados experimentais e à orientação da próxima geração de cientistas. Mark Messier, Professor Emérito e Chefe do Departamento de Física da Faculdade de Artes e Ciências da IU Bloomington, lidera o projeto desde 2006. Outros colaboradores da IU incluem os físicos Jon Urheim e James Musser (emérito), o Professor de Astronomia Stuart Mufson (emérito) e Jonathan Karty, do Departamento de Química da Faculdade de Artes e Ciências da IU.

Partículas minúsculas, questões enormes

Os neutrinos estão entre as partículas mais abundantes do universo. Eles não possuem carga elétrica e praticamente nenhuma massa, o que os torna extraordinariamente difíceis de detectar. Mas essa mesma dificuldade de detecção os torna cientificamente inestimáveis.

A compreensão dos neutrinos pode ajudar a explicar um dos maiores enigmas da cosmologia: por que o universo é feito de matéria. Teoricamente, o Big Bang deveria ter produzido partes iguais de matéria e antimatéria, que se aniquilariam completamente; quando uma partícula encontra sua partícula oposta, ambas desaparecem em uma explosão de energia. Mas, quando o Big Bang ocorreu, algo alterou esse equilíbrio, criando uma abundância maior de matéria, o que levou à formação de estrelas, galáxias e da vida que conhecemos hoje.

Os físicos suspeitam que os neutrinos possam conter a resposta. Os neutrinos existem em três tipos, ou "sabores": elétron, múon e tau, essencialmente três versões da mesma partícula minúscula. Os neutrinos possuem a capacidade incomum de oscilar e se transformar de um "sabor" para outro enquanto viajam pelo espaço, e a forma como essas oscilações ocorrem, e se elas diferem entre os neutrinos e suas contrapartes de antimatéria, pode revelar por que a matéria prevaleceu sobre a antimatéria no início do universo.

De forma inédita, o novo estudo publicado na Nature combina dados de dois dos principais observatórios de neutrinos do mundo. O NOvA (NuMI Off-axis νe Appearance experiment) envia um feixe de neutrinos através da Terra, a 810 quilômetros de distância, desde sua fonte no Fermi National Accelerator Laboratory, perto de Chicago, até um detector de 14.000 toneladas em Ash River, Minnesota. O T2K, do Japão, dispara um feixe de neutrinos a 295 quilômetros de distância, desde o acelerador J-PARC em Tokai até o gigantesco detector Super-Kamiokande, sob o Monte Ikenoyama.

Por quê? A análise conjunta dos dados de ambos os experimentos melhora significativamente a capacidade dos cientistas de determinar o comportamento dos neutrinos, uma tarefa que desafia os pesquisadores há décadas. Isso é importante porque, de acordo com um comunicado de imprensa da Nature , “a combinação das análises aproveita as sensibilidades complementares dos dois experimentos e demonstra o valor da colaboração”. Com o NOvA utilizando uma linha de base mais longa através da Terra e o T2K utilizando um feixe mais curto, porém mais intenso, os pesquisadores conseguiram verificar suas descobertas com uma precisão sem precedentes.

Um indício de desequilíbrio cósmico

Ao combinar seus conjuntos de dados, as equipes de pesquisa obtiveram uma medição mais precisa dos parâmetros que regem a oscilação de neutrinos, especialmente aqueles relacionados à assimetria detectada entre neutrinos e antineutrinos. Os resultados do estudo conjunto se concentram em algo chamado simetria CP (simetria de carga-paridade), que reflete a ideia de que matéria e antimatéria devem se comportar como imagens espelhadas perfeitas; as regras da física devem permanecer exatamente as mesmas para ambas.

Mas não é isso que os cientistas observam, porque o universo é composto quase inteiramente de matéria, sem praticamente nenhuma antimatéria remanescente do Big Bang. Os resultados do estudo sugerem um desequilíbrio na forma como neutrinos e antineutrinos oscilam, indicando que violam a simetria CP. Isso significa que os neutrinos podem se comportar de maneira diferente de suas antipartículas, e essa pista pode ser o primeiro passo para explicar por que nosso universo contém matéria.

“Avançamos na resolução desta questão realmente importante e aparentemente insolúvel: por que existe algo em vez de nada?”, disse o Professor Messier. “E, além disso, abrimos caminho para futuros programas de pesquisa que visam usar neutrinos para abordar outras questões.”

O trabalho destaca como projetos científicos de grande escala trazem benefícios que vão muito além da física. As tecnologias desenvolvidas para detectar neutrinos, desde eletrônica de alta velocidade até processamento avançado de dados, encontram aplicações em diversos setores industriais. O estudo conjunto é financiado por uma bolsa do Departamento de Energia dos EUA.

“Houve uma inovação tecnológica transformadora em todos os setores da sociedade, resultante da física de altas energias”, observou Messier. “Além disso, os cientistas da próxima geração mergulham na ciência de dados, no aprendizado de máquina , na inteligência artificial e na eletrônica, e depois ingressam em indústrias com as habilidades profundas que adquiriram ao tentar responder a essas questões realmente difíceis.”

As equipes NOvA e T2K incluem centenas de cientistas de mais de uma dúzia de países, representando uma parceria global que abrange os EUA, a Europa e o Japão. A análise conjunta destaca os resultados positivos quando os cientistas compartilham recursos e conhecimentos especializados.

Nesse contexto, os alunos de doutorado da IU atualmente envolvidos no estudo conjunto incluem Reed Bowles, Alex Chang, Hanyi Chen, Erin Ewart, Hannah LeMoine e Maria Manrique-Plata. Além disso, Messier e seus colegas supervisionaram inúmeros alunos de graduação e pós-graduação da IU no projeto NOvA desde o início do experimento em 2014.

Essa colaboração oferece uma visão de como futuros grandes experimentos em física de partículas poderão funcionar. Para a Universidade de Indiana e seus parceiros, a descoberta abre caminho para pesquisas que expandem as conclusões do estudo conjunto.

“Como físico, acho fascinante que uma questão tão complexa, como por que existe matéria no universo em vez de antimatéria, possa ser dividida em questões menores, passo a passo”, disse Messier. “Em vez de ficarmos perplexos com a enormidade do problema, podemos de fato progredir em direção a uma resposta sobre por que estamos aqui no universo.”

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