de Marcus Woo
De todas as partículas conhecidas do universo, apenas os fótons estão em maior número que os neutrinos. Mesmo com a sua abundância, no entanto, neutrinos são difíceis de atrapar e inspecionar, de modo que interagem com a matéria de forma fraca. Por volta de mil trilhões de partículas fantasma passam pelo seu corpo a cada segundo - sem sequer uma simples alteração de qualquer átomo.
"Da forma que é ubiquoto, ainda não sabemos seu peso, é uma partícula estranha," disse Débora Harris, uma física do Laboratório nacional de Aceleradores Fermi perto de Chicago e da Universidade de York em Toronto.
Físicos tem tentando há tempos pesar este fantasma. E em setembro, depois de 18 anos de planejamento, construção e calibragem, o Experimento Karlsruhe Neutrino Trítio (KATERIN) no sudoeste da Alemanha anunciou seus primeiros resultados: descobriu que o neutrino não pode pesar mais que 1,1 elétronvoltos, ou por volta de 0,0015% a massa de um életron.
Esta estimativa inicial, de apenas um mês de coleta de dados, é uma melhora se comparado com as medidas anteriores usando técnicas semelhantes que definiam o limite superior da massa de um neutrino em 2 elétronvolts. Da forma que estes dados se tornam mais amplos, o KATRIN mira acertar a massa ao invés de dar um limite superior total.
Por que a massa importa?
A massa é uma das características mais básicas e importantes das partículas fundamentais. O neutrino é a única partícula conhecida cuja massa se mantém um mistério. Medir sua massa ajudaria a definir novas leis físicas além do Modelo Padrão, a tão bem sucedida mesmp que incompleta descrição de como as partículas e forças conhecidas do universo interagem. A sua massa medida também serviria para raciocinar sobre as teorias de cosmologistas de como o universo evoluiu.
"Dependendo de como a massa do neutrino venha por se definir, pode decair em ramais muito interessantes para a cosmologia," disse Diana Parno, uma física na Universidade de Carnegie Mellon e uma membro da equipe do experimento KATRIN.
Até duas décadas atrás, neutrinos, que eram teoricamente predizidos em 1930 e descobertos em 1956, foram presumidos por serem partículas sem massa. "Quando eu estava no bacharelado, meus livros-texto todos diziam que neutrinos não possuíam massa," disse Harris.
Isso mudou quando, em uma descoberta que lhes reservou o Nobel de 2015, físicos descobriram que neutrinos poderiam morfar de um tipo para outro, oscilando entre 3 sabores: elétron, muon e tau. Estas oscilações podem apenas acontecer se neutrinos também possuirem três estados de massa, nos quais cada sabor tem distintas probabilidades de estarem em cada um dos três estados de massa. Estes estados de massa se transportam pelo espaço de forma diferente por cada uma de suas qualidades, então quando o neutrino chega do ponto A ao ponto B, esta mistura de probabilidades mudará, e um detector poderia medir um sabor diferente.
Se cada uma destas 3 estações de massa existirem, então não podem todas serem 0, então, neutrinos devem ter massa. De acordo com os recentes dados de oscilação de neutrinos (que revelam as diferenças entre os estados de massa ao invés de seus valores precisos), se seu estado de massa mais leve for zero, então o mais pesado deverá ser ao menos de 0,0495 elétronvolts.
Assim, é leve se comparado com a massa de outras partículas que físicos não estão certos de como são tão pouco massificadas. Outras partículas do Modelo Padrão adquirem massa interagindo com o campo de Higgs, um campo de energia que perfura todo o espaço e se arrasta em partículas massivas. Mas pra neutrinos "a massa é tão pequena que é necessária uma teoria a mais para que seja explicada," Parno diz. Descobrir como os neutrinos adquirem massa pode resolver outros mistério não primariamente relacionados com este, tal qual o porquê de haver mais matéria do que antimatéria no universo. Teorias que competem pelo mecanismo de geração de massa predizem diferentes valores para os três estados de massa existentes. Enquanto que os experimentos de oscilação de neutrinos têmm medido as diferenças entre os estados de massa, experimentos como o KATRIN pervadem em uma diferente média dos três. Combinando os dois tipos de medidas pode revelar o valor de cada estado de massa, favorecendo certas teorias de massa neutrino em favor das outras.
Questões Cósmicas
A massa dos neutrinos também é de importância cósmica, como dito. Apesar de sua massa minúscula, tantos neutrinos foram elevados durante o Big Bang que a gravidade coletiva influenciou como toda a matéria do universo se aglutinou em estrelas e galáxias. Mesmo após um segundo do Big Bang, neutrinos estavam voando em quase velocidade lumiar, tão rápido que escaparam do puxo gravitacional de toda outra matéria. Mas quando começaram a se tornar lentas, o que permitiu ajudar as estrelas, galáxias e miragens quânticas. Ao ponto qual os neutrinos começam a se tornarem mais lentos depende de sua massa. Neutrinos mais pesados desacelerariam de forma mais rápida e ajudariam a tornar o universo mais povoado.
Medindo a população cósmica, cosmologistas podem inferir a massa do neutrino. Mas este método indireto depende da presunção de que modelos cósmicos são corretos, então uma resposta diferente das medidas diretas da massa de um neutrino indicaria que as teoria cosmológicas estão equivocadas.
Até então, a aproximação cosmológica indireta tem sido mais sensível que as medições diretas de massa por experimentos como o KATRIN. Dados recentes cosmológicos do satélite Planck apontam que a soma dos três estados de massa dos neutrinos não podem ser maiores que 0,12 elétronvolts, e em Agosto, outra análise de observações cosmológicas descobriram que a massa mais leve deve ser de menos que 0,086 elétronvolts. Estes caem em barreira muito inferior ao limite superior do experimento KATRIN, então não deve haver contradição entre os dois métodos portanto. Mas enquanto o KATRIN coleta mais dados, as discrepâncias devem surgir.
Quais são os próximos passos
O tão aguardado experimento KATRIN pesa os neutrinos utilizando trítio, um pesado isótopo de hidrogênio. Quando o trítio passa por decaimento de formato beta, seu núcleo emite um elétron e um elétron-saboroso neutrino. Medindo a energia dos elétrons mais energéticos, físicos podem deduzir a energia, e então a massa (ou realmente, a média pesada das três massas contribuintes) do elétron neutrino. Se o KATRIN descobrir uma massa entre 0,2 e 0,3 elétronvolts, cosmólogos terão dificuldade em reconciliar as suas observações, disse Marilena Loverde, uma cosmologista na Universidade de Stony Brook. Uma possível explicação da situação seria um novo fenômeno que causa a influência cosmológica da massa neutrino se desfazer com o tempo. Pela instância, talvez o decaimento de neutrinos possa ocorrer em partículas ainda mais leves, quais as velocidades próximas ao lumiar podem torná-las incapazes de se agruparem em massa junta. Ou talvez o mecanismo que provem a massa aos neutrinos tenha mudado com o tempo cósmico.
Se, por outro lado, a massa do neutrino for próxima ao que as observações cosmológicas predizem, o KATRIN não seria sensível o suficiente para medí-las. Pode apenas medir neutrinos que vão até a barreira de 0,2 elétronvolts. Se neutrinos forem mais leves que isto, físicos necessitaram de experimentos mais sensíveis para se aproximarem da massa e resolverem as questões do mundo da física de partículas e da cosmologia. Três projetos potencialmente mais sensíveis - o Projeto 8, Captura de elétron em Holmium, e o HOLMES - já estão tomando dados com instrumentos de prova de conceito.
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