Pesquisadores da Universidade de Indiana ajudaram a fazer grandes avanços na nossa compreensão do universo graças a uma parceria entre dois importantes experimentos internacionais com neutrinos. Os neutrinos são partículas extremamente pequenas, quase sem massa, que passam constantemente pelo espaço, pelos planetas e até pelos nossos corpos, mas raramente interagem com alguma coisa. Os resultados são publicados na revista Natureza estão aproximando os cientistas da resposta a uma questão importante: Porque é que o universo contém matéria como estrelas, planetas e vida, em vez de estar vazio?
A descoberta veio de uma análise conjunta sem precedentes de dados da experiência NOvA nos EUA e do T2K no Japão. Esses dois projetos de neutrinos de longo alcance estão entre os mais complexos do gênero. Ao combinar as suas descobertas, os investigadores serão capazes de estudar melhor os neutrinos e os seus homólogos de antimatéria, oferecendo uma visão sobre a razão pela qual o Universo não se autodestruiu imediatamente após o Big Bang.
Em ambos os experimentos, os cientistas geram feixes de neutrinos usando aceleradores de partículas e os enviam por vastas distâncias subterrâneas até detectores massivos. É extremamente difícil detectá-los. Das inúmeras partículas produzidas, apenas uma pequena fração deixa sinais mensuráveis. Detectores avançados e software poderoso são então usados para reconstruir essas interações raras e estudar como os neutrinos mudam durante sua jornada.
A Universidade de Indiana tem sido fundamental neste trabalho há décadas. Os cientistas da UI contribuíram para a criação de sistemas de detecção, interpretação de dados e formação de jovens investigadores. Mark Messier, professor emérito e presidente do departamento de física da Faculdade de Artes e Ciências da IU Bloomington, lidera o projeto desde 2006. Outros pesquisadores da IU envolvidos incluem os físicos John Urheim e James Musser (emérito), o professor de astronomia Stuart Mufson (emérito) e Jonathan Carty do Departamento de Química da IU College.
O neutrino e o mistério da antimatéria
Os neutrinos estão entre as partículas mais comuns no espaço. Eles não carregam carga elétrica e quase não têm massa, o que os torna incrivelmente difíceis de detectar. Esta mesma propriedade, no entanto, torna-os ferramentas inestimáveis para estudar as leis mais profundas da física.
Um dos maiores mistérios da cosmologia é por que o universo é dominado pela matéria. O Big Bang deveria criar quantidades iguais de matéria e antimatéria. Quando matéria e antimatéria se encontram, elas se destroem em uma explosão de energia. Se o universo primitivo contivesse quantidades exatamente iguais de ambos, tudo teria desaparecido. Em vez disso, um ligeiro desequilíbrio favoreceu a matéria, permitindo a formação de galáxias, estrelas, planetas e vida.
Os cientistas acreditam que os neutrinos podem ajudar a explicar este desequilíbrio. Os neutrinos existem em três variedades, ou “sabores”, conhecidas como elétron, múon e tau. À medida que se movem pelo espaço, podem mudar de um sabor para outro num processo chamado oscilação. Se o neutrino e o antineutrino oscilarem de forma diferente, esta diferença pode indicar porque é que a matéria acabou por vencer.
NOvA e T2K unem forças
O novo estudo da Nature destaca-se porque combina dados de dois importantes observatórios de neutrinos. NOvA (o experimento NuMI Off-axis νe Appearance) envia um feixe de neutrinos a 810 quilômetros do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi, perto de Chicago, para um detector de 14.000 toneladas em Ash River, Minnesota. Enquanto isso, o projeto T2K do Japão está direcionando um feixe de 295 quilômetros do acelerador J-PARC em Tokai para o enorme detector Super-Kamiokande sob o Monte Ikenayama.
Ao analisar os resultados em conjunto, os investigadores melhoraram a sua capacidade de medir como os neutrinos se comportam. De acordo com o comunicado de imprensa de Natureza“A combinação dos ensaios aproveita as sensibilidades complementares dos dois experimentos e demonstra o valor da colaboração.” A maior distância do NOvA através da Terra e o feixe mais curto, mas mais intenso, do NOvA proporcionam vantagens adicionais, permitindo aos cientistas comparar e refinar as suas medições com uma precisão excepcional.
A combinação dos conjuntos de dados permitiu às equipes definir melhor os parâmetros que controlam as oscilações dos neutrinos, particularmente aqueles relacionados às diferenças entre neutrinos e antineutrinos. Os resultados centram-se na simetria CP (simetria de paridade de carga), o princípio de que matéria e antimatéria devem seguir as mesmas leis físicas, comportando-se como imagens espelhadas uma da outra.
No entanto, o universo observado é esmagadoramente composto de matéria, restando muito pouca antimatéria do Big Bang. As descobertas gerais indicam que pode haver uma diferença na forma como o neutrino e o antineutrino oscilam, indicando uma possível quebra da simetria do CP. Simplificando, os neutrinos podem se comportar de maneira diferente dos seus equivalentes de antimatéria. Esta diferença subtil pode ser a chave para a sobrevivência da matéria.
“Fizemos progressos nesta questão realmente grande e aparentemente intratável: por que existe algo em vez de nada?” – disse o professor Messier. “E preparamos o terreno para futuros programas de investigação que visam utilizar neutrinos para abordar outras questões.”
Tecnologia, aprendizagem e colaboração global
Experimentos em larga escala em física de partículas geralmente trazem benefícios que vão além da ciência básica. As tecnologias desenvolvidas para detecção de neutrinos, incluindo eletrônica de alta velocidade e sistemas avançados de análise de dados, muitas vezes encontram aplicações práticas na indústria. O esforço de pesquisa colaborativa é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA.
“Todos os setores da sociedade testemunharam inovações tecnológicas transformadoras provocadas pela física de altas energias”, observou Messier. “Além do mais, a próxima geração de cientistas está mergulhando na ciência de dados, aprendizado de máquina, inteligência artificial e eletrônica, e depois entrando na indústria com as habilidades profundas que adquiriram ao tentar responder a essas questões realmente difíceis.”
Centenas de cientistas de mais de uma dezena de países dos EUA, Europa e Japão participam na cooperação entre NOvA e T2K. A sua análise global demonstra o poder científico da colaboração internacional.
UI Ph.D. Os alunos que atualmente participam da pesquisa colaborativa incluem Reed Bowles, Alex Chang, Hanyi Chen, Erin Ewart, Hannah Lemoine e Maria Manrique-Plata. Desde que o NOvA começou em 2014, Messier e seus colegas também orientaram muitos dos alunos de graduação e pós-graduação da IU que trabalham no experimento.
A parceria oferece uma prévia de como futuros projetos de física de partículas poderão funcionar. Para a Universidade de Indiana e seus colaboradores, os resultados abrem portas para pesquisas ainda mais precisas baseadas neste trabalho.
“Como físico, acho fascinante que uma grande questão, como por que o universo tem matéria e não antimatéria, possa ser dividida em questões menores, passo a passo”, disse Messier. “Em vez de ficarmos impressionados com a enormidade disso, podemos realmente chegar à resposta de por que estamos aqui no universo.”
