Essa partícula estranha pode conter pistas sobre os maiores segredos do universo.

Experimentos colaborativos têm como foco desvendar as propriedades incomuns da partícula fantasma.

Um novo estudo global revela um comportamento surpreendente nas partículas mais esquivas do universo, sugerindo possíveis respostas para a questão de por que algo existe. Crédito: Stock 

Em um estudo recente, físicos criaram a visão mais clara e detalhada até agora de como os neutrinos alteram seu "sabor" à medida que se movem pelo espaço.

Os neutrinos estão entre os blocos de construção básicos do universo, mas continuam sendo algumas das partículas mais difíceis de estudar. Eles atravessam a matéria sem esforço, tornando-os praticamente impossíveis de detectar. Embora muito sobre eles ainda seja desconhecido, os cientistas identificaram três tipos distintos de neutrinos: elétron, múon e tau.

Compreender essas diferentes identidades pode ajudar os cientistas a aprender mais sobre as massas dos neutrinos e a responder a perguntas fundamentais sobre a evolução do universo, incluindo por que a matéria passou a dominar a antimatéria no início do universo, disse Zoya Vallari, professora assistente de física da Universidade Estadual de Ohio.

“O motivo pelo qual os neutrinos são realmente muito divertidos é porque eles mudam de sabor”, disse ela. “Imagine tomar um sorvete de chocolate, estar andando na rua e, de repente, ele se transforma em sorvete de menta, e a cada movimento, ele muda de sabor novamente.”

A ciência por trás das oscilações de neutrinos

Esse processo, conhecido como oscilação de neutrinos, ocorre tanto em neutrinos que se formam naturalmente quanto naqueles criados por cientistas em laboratório. Para investigar esse notável comportamento de mudança de forma, pesquisadores de dois grandes projetos internacionais, o experimento NOvA (NuMI Off-axis νe Appearance) nos Estados Unidos e o experimento T2K no Japão, uniram esforços. Juntos, eles direcionaram feixes de partículas de neutrinos por centenas de quilômetros, rastreando como seu "sabor" mudava ao longo do caminho.

Zoya Vallari, uma das principais integrantes da colaboração NOvA, está agora formando um grupo de pesquisa na Universidade Estadual de Ohio para ajudar a projetar um detector de neutrinos de próxima geração , que deverá entrar em operação perto do final da década.

Os resultados deste estudo conjunto foram recentemente publicados na revista Nature .

Embora o NOvA e o T2K compartilhem objetivos científicos semelhantes, cada um utiliza uma abordagem distinta. O experimento NOvA envia um feixe de neutrinos muônicos do Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi, do Departamento de Energia dos EUA, perto de Chicago, Illinois, para um detector distante em Ash River, Minnesota. Enquanto isso, o T2K lança seu feixe de neutrinos muônicos da costa leste do Japão e o mede em um detector localizado nas montanhas do oeste do Japão.

“Embora nossos objetivos fossem os mesmos, as diferenças em nosso desenho experimental adicionam mais informações quando reunimos nossos dados, pois o todo é maior que a soma das partes”, disse Vallari.

Em busca de pistas além do modelo padrão

Embora este estudo se baseie em trabalhos anteriores que encontraram diferenças minúsculas, mas ainda assim muito significativas, na massa dos neutrinos para cada tipo, os pesquisadores buscaram indícios mais profundos de que os neutrinos operam fora das leis padrão da física. Uma dessas questões é se os neutrinos e suas contrapartes de antimatéria se comportam de maneira diferente, um fenômeno chamado violação da paridade da carga. Se dados futuros confirmarem que sim, os pesquisadores estarão mais perto de descobrir como o universo se tornou predominantemente matéria, em vez de ser dizimado pela antimatéria após o Big Bang .

Embora essas descobertas não respondam definitivamente qual o papel dos neutrinos na estrutura do universo, elas aumentam o conhecimento dos cientistas sobre eles.

“Nossos resultados mostram que precisamos de mais dados para podermos responder de forma significativa a essas questões fundamentais”, disse Vallari. “É por isso que construir a próxima geração de experimentos é importante.”

Segundo o estudo, a combinação dos resultados de ambos os experimentos permitiu aos pesquisadores abordar essas questões prementes da física sob diferentes perspectivas, visto que dois experimentos com diferentes níveis de referência e energias têm maior probabilidade de respondê-las do que um único experimento isolado.

“Este trabalho é extraordinariamente complexo, e cada colaboração envolve centenas de pessoas”, disse John Beacom, professor de física e astronomia da Universidade Estadual de Ohio. “Colaborações como essas geralmente são competitivas, então o fato de estarem cooperando aqui mostra o quão importantes são os interesses envolvidos.”

Os pesquisadores planejam continuar usando as colaborações NOvA e T2K para estudar o comportamento evolutivo dos neutrinos e atualizarão suas análises com novos dados conforme necessário. As lições aprendidas com este artigo podem lançar as bases para futuros experimentos com neutrinos que terão sucesso em revolucionar a área.

“A física de partículas nos proporcionou muitas tecnologias, mas, para mim, a principal motivação continua sendo a curiosidade humana em compreender nossa origem e nosso lugar no universo”, disse Vallari.

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