Os neutrinos são extremamente difíceis de detectar, mas estão entre as partículas de matéria mais abundantes no universo. De acordo com o Modelo Padrão da física de partículas, existem três tipos conhecidos. Esse quadro mudou quando os cientistas descobriram as oscilações dos neutrinos, um fenómeno que mostra que os neutrinos têm massa e podem alternar entre tipos à medida que viajam pelo espaço. Ao longo dos anos, vários resultados experimentais inexplicáveis levaram à especulação sobre uma quarta espécie, conhecida como neutrino estéril, que interagiria ainda mais fracamente do que as outras. Confirmar a sua existência significaria uma grande mudança na nossa compreensão da física fundamental.
Um novo estudo publicado em Natureza relata a pesquisa direta mais precisa de neutrinos estéreis. O trabalho foi realizado como parte da colaboração KATRIN, que analisou o decaimento radioativo do trítio em busca de sinais sutis de um tipo adicional de neutrino.
O experimento KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) foi originalmente projetado para medir a massa do neutrino. Ele faz isso rastreando cuidadosamente as energias dos elétrons liberados durante o decaimento β do trítio. Quando o trítio decai, o neutrino libera alguma energia, o que altera ligeiramente o padrão de energia dos elétrons emitidos. Se, em vez disso, um neutrino estéril fosse produzido ocasionalmente, isso deixaria uma distorção reconhecível ou uma “quebra” neste esquema.
Localizado no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha, o KATRIN se estende por mais de 70 metros de comprimento. Sua configuração inclui uma poderosa fonte de trítio gasoso sem janelas, um espectrômetro de alta resolução que mede com precisão a energia dos elétrons e um detector que registra as partículas. Desde o seu lançamento em 2019, o experimento coletou dados de decaimento β do trítio com precisão insuperável, procurando especificamente os pequenos desvios esperados de um neutrino estéril.
O que mostram os dados sobre neutrinos estéreis
Em novembro Natureza No artigo, a equipe relata a pesquisa mais sensível até o momento por neutrinos estéreis resultantes do decaimento β do trítio. Entre 2019 e 2021, o KATRIN registrou cerca de 36 milhões de elétrons em 259 dias de coleta de dados. Essas medições foram comparadas com modelos detalhados de decaimento β e alcançaram uma precisão melhor que um por cento. A análise não encontrou nenhuma evidência de um neutrino estéril.
Este resultado exclui uma ampla gama de possibilidades sugeridas por anomalias anteriores. Essas anomalias incluíram déficits inesperados observados em experimentos de neutrinos em reatores e medições de fontes de gálio, ambos sugerindo um quarto neutrino. As descobertas também contradizem completamente o experimento do neutrino-4, que alegou evidências da existência de tal partícula.
O fundo excepcionalmente baixo do KATRIN significa que quase todos os elétrons detectados vêm do decaimento do trítio, permitindo medições muito precisas do espectro de energia. Ao contrário dos experimentos de oscilação, que observam como os neutrinos mudam de identidade após percorrerem uma certa distância, o KATRIN investiga a distribuição de energia no momento da criação do neutrino. Como essas técnicas investigam diferentes aspectos do comportamento dos neutrinos, elas se complementam e, juntas, fornecem fortes evidências contra a hipótese do neutrino estéril.
Como o KATRIN complementa outros experimentos
“Nosso novo resultado complementa completamente os experimentos com reatores como o STEREO”, explica Thierry Lasser (Instituto Max Planck de Física Nuclear) em Heidelberg, que liderou a análise. “Embora os experimentos com reatores sejam mais sensíveis à fissão de massa ativa estéril abaixo de alguns eV2O KATRIN investiga a faixa de algumas a várias centenas de eV². Juntas, essas duas abordagens agora descartam consistentemente neutrinos estéreis leves que se misturariam apreciavelmente com tipos de neutrinos conhecidos”.
Ansioso por mais dados e novos detectores
O KATRIN continuará a recolher dados até 2025, o que aumentará ainda mais a sua sensibilidade e permitirá testes ainda mais rigorosos de neutrinos estéreis leves. “Até o final da coleta de dados em 2025, o KATRIN terá registrado mais de 220 milhões de elétrons na região de interesse, aumentando as estatísticas em mais de seis vezes”, disse a co-representante do KATRIN Kathryn Valerius (KIT). “Isso nos permitirá ultrapassar os limites da precisão e explorar ângulos de mistura abaixo dos limites atuais.”
A atualização está prevista para 2026, quando o detector TRISTAN será adicionado ao experimento. TRISTAN registrará todo o espectro de decaimento β do trítio com estatísticas sem precedentes. Ao contornar o espectrômetro principal e medir diretamente a energia do elétron, o TRISTAN será capaz de sondar os neutrinos estéreis, muito mais pesados. “Esta instalação de próxima geração abrirá uma nova janela para a gama de massas keV, onde neutrinos estéreis podem até formar a matéria escura do Universo,” afirma a co-autora Suzanne Mertens (Instituto Max Planck de Física Nuclear).
Trabalho científico internacional
A colaboração KATRIN reúne cientistas de mais de 20 instituições em 7 países, representando um esforço global para criar uma das experiências de neutrinos mais precisas alguma vez criadas.
