Depois de uma década coletando e estudando dados, uma equipe internacional de físicos, incluindo pesquisadores da Rutgers, virou de cabeça para baixo uma ideia de longa data sobre um tipo misterioso de partícula.
Os resultados são publicados em Natureza e originam-se do experimento MicroBooNE no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) do Departamento de Energia dos EUA em Batavia, Illinois. (A sigla MicroBooNE significa MicroBooster Neutrino Experiment.)
Uma década de testes no Fermilab
MicroBooNE depende de um grande detector de argônio líquido e de observações de dois feixes de neutrinos separados. Ao observar cuidadosamente como os neutrinos se comportam, os cientistas conseguiram descartar a existência de um único neutrino estéril com 95% de confiança.
Andrew Mastbaum, professor assistente de física e astronomia na Rutgers School of Arts and Sciences e membro do grupo diretor MicroBooNE, descreveu a descoberta como uma grande mudança no campo.
“Este resultado levará a ideias inovadoras na pesquisa de neutrinos para entender o que realmente está acontecendo”, disse ele. “Podemos descartar um grande suspeito, mas isso não resolve o mistério”.
Por que os neutrinos são importantes?
Os neutrinos são partículas extremamente pequenas que raramente interagem com a matéria. Eles podem viajar direto por planetas inteiros sem diminuir a velocidade. De acordo com o Modelo Padrão, que é a principal base da física de partículas, existem três tipos conhecidos de neutrinos: elétron, múon e tau. Essas partículas podem mudar de um tipo para outro através de um fenômeno conhecido como oscilação.
No entanto, em experiências anteriores, os cientistas observaram o comportamento dos neutrinos que não correspondia totalmente às previsões do Modelo Padrão. Para explicar estes resultados, os investigadores levantaram a hipótese da existência de um quarto tipo de neutrino, denominado neutrino estéril. Ao contrário dos tipos conhecidos, o neutrino estéril não interagirá com a matéria, exceto através da gravidade, tornando-o extremamente difícil de detectar.
O teste de neutrinos estéreis
Para investigar esta ideia, a equipa do MicroBooNE mediu neutrinos produzidos por dois feixes diferentes e analisou como eles mudavam à medida que se moviam. Após dez anos de recolha e interpretação de dados, os investigadores não encontraram nenhuma evidência que apoiasse a hipótese do neutrino estéril. Isto efetivamente anula uma das explicações mais amplamente debatidas para o comportamento incomum do neutrino.
Mastbaum desempenhou um papel central na liderança do esforço de análise experimental como co-coordenador de ferramentas e métodos de análise. Seu trabalho se concentrou em como os sinais brutos do detector foram convertidos em descobertas científicas significativas. Anteriormente, ele também liderou esforços para compreender o que a equipe chama de incertezas sistemáticas, que são fontes potenciais de erros nas medições.
Essas incertezas incluem como os neutrinos interagem com os núcleos atômicos, o número exato de neutrinos no feixe e como o próprio detector responde às partículas que chegam. A contabilização precisa desses fatores é essencial para tirar conclusões precisas dos dados.
Acertar estas incertezas é importante porque permite aos cientistas fazer afirmações fortes e fiáveis sobre o que os dados realmente mostram, disse Mastbaum.
Alunos de pós-graduação e precisão dos dados
Alunos de pós-graduação da Rutgers também contribuíram para o projeto. Panagiotis Englezos, pós-doutorado no Departamento de Física e Astronomia da Rutgers School of Arts and Sciences, trabalhou na equipe de gerenciamento de dados do MicroBooNE, ajudando a processar os dados experimentais e a criar as simulações que apoiaram a análise.
Keng Lin, outro pós-doutorado no departamento, concentrou-se em testar o fluxo de neutrinos do feixe NuMI (injetor principal de neutrinos) do Fermilab, que foi uma das duas fontes de neutrinos usadas no estudo. Juntos, esses esforços ajudaram a garantir a precisão e a confiabilidade dos resultados finais.
O que isso significa para a física
De acordo com Mastbaum, a descoberta é importante porque remove um dos principais candidatos para uma nova física fora do Modelo Padrão. Embora o Modelo Padrão tenha sido muito bem-sucedido, ele não explica fenômenos como a matéria escura, a energia escura ou a gravidade. Os investigadores continuam a procurar pistas que apontem para além do modelo, e a eliminação de uma possibilidade ajuda a estreitar o campo.
Os cientistas da Rutgers também ajudaram a desenvolver técnicas para medir as interações de neutrinos no argônio líquido. Essas técnicas aprimoradas beneficiarão projetos futuros, incluindo o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).
“Através de modelagem cuidadosa e abordagens de análise inteligentes, a equipe do MicroBooNE extraiu uma quantidade incrível de informações deste detector”, disse Mastbaum. “Na próxima geração de experiências como a DUNE, já estamos a utilizar estas técnicas para abordar questões ainda mais fundamentais sobre a natureza da matéria e a existência do universo.”
