Após anos de investigação meticulosa, os pesquisadores que trabalham no Experimento Micro Booster Neutrino (MicroBooNE) determinaram que a partícula há muito hipotética conhecida como neutrino estéril não existe. Esta partícula proposta tem sido amplamente discutida como uma possível resposta para problemas não resolvidos na física de partículas. Relatando as suas descobertas na revista Nature, os resultados da equipa estreitam significativamente o leque de explicações para um dos mistérios mais duradouros dos neutrinos.
“Os neutrinos são partículas fundamentais evasivas que são difíceis de detectar experimentalmente, mas estão entre as partículas mais abundantes no universo”, disse David Carotelli, professor associado de física da UC Santa Bárbara, que atuou como coordenador de física do experimento durante a análise. Experiências anteriores, explicou ele, produziram resultados inconsistentes com o conhecimento existente, levando os cientistas a levantar a hipótese da presença de um quarto neutrino – um neutrino “estéril”. Novas medições do MicroBooNE, no entanto, mostram que esta ideia não corresponde aos dados.
Segundo Caratelli, eliminar a hipótese de neutrinos estéreis é um grande avanço. O resultado abre caminho para explorar novas possibilidades e ajuda a preparar o terreno para experimentos maiores e mais sofisticados com neutrinos.
Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation.
Por que os neutrinos ainda confundem os físicos
O Modelo Padrão fornece uma estrutura bem testada para a compreensão das forças e partículas fundamentais que moldam o universo. Apesar disso, algumas questões importantes permanecem sem resposta.
“Sabemos que o Modelo Padrão faz um excelente trabalho ao descrever muitos fenômenos no mundo natural”, disse Matthew Toups, cientista sênior do Fermilab e co-apresentador do MicroBooNE. “E, ao mesmo tempo, sabemos que está incompleto. Não leva em conta a matéria escura, a energia escura ou a gravidade.”
Os neutrinos representam uma dessas lacunas. Quando o Modelo Padrão foi desenvolvido, presumia-se que os neutrinos não tinham massa. Esta suposição começou a ser desvendada no final do século XX, quando experiências que observavam neutrinos vindos do espaço revelaram um comportamento inesperado. Certos tipos de neutrinos pareciam desaparecer à medida que viajavam.
Os cientistas perceberam que os neutrinos vêm em três formas, conhecidas como sabores de elétron, múon e tau, e que esses sabores podem mudar à medida que o neutrino se move pelo espaço. Este processo, denominado oscilação, significa que o neutrino deve ter massa.
“A única maneira de esta oscilação acontecer é se os neutrinos tiverem massa”, explicou Caratelli. “Isso é algo que o Modelo Padrão não previu.”
A hipótese do neutrino estéril
Na década de 1990, novos experimentos aprofundaram o mistério. Estudos no Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) no Laboratório Nacional de Los Alamos, e mais tarde no experimento MiniBooNE no Fermilab, observaram a conversão de neutrinos de múon em neutrinos de elétrons de maneiras que não podem ser explicadas usando apenas os três tipos conhecidos de neutrinos.
“A explicação mais popular para estas anomalias nos últimos 30 anos tem sido o hipotético neutrino estéril”, disse Justin Evans, professor da Universidade de Manchester e co-apresentador do MicroBooNE.
Ao contrário dos neutrinos conhecidos, que interagem com outras partículas através da força eletrofraca, um neutrino estéril não interagirá com a matéria da mesma maneira. Isso tornou a detecção direta muito difícil.
Como MicroBooNE testou a teoria
Para examinar mais de perto essas anomalias, os cientistas construíram o MicroBooNE no Fermilab, um detector projetado para capturar interações de neutrinos com detalhes sem precedentes.
Entre 2015 e 2021, o experimento registrou neutrinos produzidos por dois feixes no local do Fermilab. Esses feixes enviaram os neutrinos para uma câmara de projeção temporal com argônio líquido, onde suas interações puderam ser observadas com alta precisão.
“Produzimos uma única espécie de neutrino e colocamos nossos detectores em locais ideais para maximizar a probabilidade de detectar esse neutrino estéril”, disse Caratelli. “Na prática, produzimos neutrinos de múon e, se houvesse um neutrino estéril, veríamos o aparecimento de neutrinos de elétrons”.
A equipe comparou o número de neutrinos de elétrons detectados com previsões baseadas em modelos que incluíam o neutrino estéril e modelos que não o incluíam. “Basicamente, o que procurávamos é o efeito dos novos neutrinos de elétrons produzidos por esse fenômeno de oscilação.”
Os resultados não mostraram tal efeito. Os dados são consistentes com a expectativa de um universo sem neutrinos estéreis, descartando efetivamente a existência da partícula. Esta descoberta baseia-se em trabalhos anteriores de uma equipe da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, publicados na revista Physics Review Letters no verão de 2025, que também não encontrou excesso de neutrinos de elétrons.
Um ponto de viragem para a investigação de neutrinos
Embora a explicação do neutrino estéril tenha sido deixada de lado, as anomalias iniciais observadas pelo LSND e pelo MiniBooNE não foram totalmente resolvidas.
“Acho que é uma mudança de paradigma para nós”, disse Caratelli. Com a hipótese de décadas já não viável, os investigadores estão agora a explorar um conjunto mais amplo de ideias que poderiam explicar as estranhas observações e potencialmente lançar luz sobre questões mais profundas, incluindo a natureza da matéria escura.
“Temos um cardápio de opções muito mais diversificado que estamos explorando”, disse Caratelli. As ferramentas e técnicas aperfeiçoadas durante o experimento MicroBooNE estão agora sendo aplicadas a estudos mais complexos com múltiplos detectores.
Uma ideia alternativa envolve fótons que podem ter sido identificados incorretamente em experimentos anteriores ou que podem apontar para uma nova física. O professor de física da UC Santa Bárbara e colaborador do MicroBooNE, Xiao Luo, publicou recentemente uma análise inicial que aborda essa possibilidade. Espera-se que trabalhos futuros do Programa Fermilab Short Baseline Neutrino explorem essas questões com mais detalhes.
Olhando para a próxima geração de experimentos
Ao mesmo tempo, a construção do Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) continua. Construído a quilômetros abaixo da superfície no Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford, em Dakota do Sul, o DUNE será o maior detector de neutrinos já construído. Ele receberá um feixe intenso de neutrinos de alta energia enviado através da Terra pelo Fermilab, a 1.300 quilômetros de distância.
“O MicroBooNE é grande – é do tamanho de um ônibus escolar. Mas o DUNE é um campo de futebol”, disse Caratelli. A escala e a precisão do DUNE podem ajudar a responder a questões não só sobre o comportamento dos neutrinos, mas também sobre a razão pela qual o Universo contém mais matéria do que antimatéria.
Segundo Caroltelli, o MicroBooNE desempenhou um papel importante na preparação dos cientistas para o que vem a seguir.
“Uma das principais coisas que o MicroBooNE fez foi inspirar confiança em nós e nos ensinar como usar esta tecnologia para medir neutrinos com alta precisão”, disse ele. “O que aprendemos com o MicroBooNE sobre como analisar os dados que chegam ao detector é diretamente aplicável ao DUNE.”
