Após dez anos de coleta e estudo de dados, uma equipe internacional de físicos, incluindo pesquisadores da Rutgers, reverteu uma ideia antiga sobre um tipo misterioso de partícula.
Os resultados foram publicados na Nature e surgem do experimento MicroBooNE, realizado no Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi, do Departamento de Energia dos Estados Unidos, em Batavia, Illinois. (A sigla MicroBooNE significa “Micro Booster Neutrino Experiment.”)
Um Teste de Uma Década no Fermilab
O MicroBooNE depende de um grande detector de argônio líquido e observações de dois feixes de neutrinos distintos. Ao acompanhar cuidadosamente o comportamento dos neutrinos, os cientistas foram capazes de descartar a existência de um único neutrino estéril com 95% de certeza.
Andrew Mastbaum, professor associado no Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências da Rutgers e membro da equipe de liderança do MicroBooNE, descreveu a descoberta como uma mudança significativa para a área.
“Este resultado vai estimular ideias inovadoras na pesquisa sobre neutrinos para entender o que realmente está acontecendo”, disse ele. “Podemos descartar um grande suspeito, mas isso não resolve completamente o mistério.”
Por Que os Neutrinos São Importantes
Os neutrinos são partículas extremamente pequenas que raramente interagem com a matéria. Eles podem passar diretamente através de planetas inteiros sem desacelerar. De acordo com o Modelo Padrão, que é a principal estrutura na física de partículas, existem três tipos conhecidos de neutrinos: elétron, múon e tau. Essas partículas podem se transformar de um tipo para outro por meio de um fenômeno conhecido como oscilação.
No entanto, em experimentos anteriores, os cientistas observaram um comportamento dos neutrinos que não coincidiu totalmente com as previsões do Modelo Padrão. Para explicar esses resultados, os pesquisadores sugeriram a existência de um quarto tipo de neutrino chamado de neutrino estéril. Ao contrário dos tipos conhecidos, um neutrino estéril não interagiria com a matéria, exceto por meio da gravidade, tornando-o excepcionalmente difícil de detectar.
Colocando o Neutrino Estéril à Prova
Para investigar essa ideia, a equipe do MicroBooNE mediu neutrinos produzidos por dois feixes diferentes e analisou como eles mudavam durante o percurso. Após dez anos de coleta e interpretação de dados, os pesquisadores não encontraram evidências que apoiassem a hipótese do neutrino estéril. Isso efetivamente encerra uma das explicações mais amplamente discutidas para o comportamento incomum dos neutrinos.
Mastbaum teve um papel central na orientação dos esforços de análise do experimento como co-coordenador das ferramentas e técnicas de análise. Seu trabalho se concentrou em como os sinais crus do detector foram convertidos em conclusões científicas significativas. Ele também liderou esforços para entender o que a equipe chama de incertezas sistemáticas, que são possíveis fontes de erro nas medições.
Essas incertezas incluem como os neutrinos interagem com núcleos atômicos, o número exato de neutrinos no feixe e como o próprio detector responde às partículas que chegam. Considerar com precisão esses fatores é essencial para tirar conclusões firmes a partir dos dados.
Acertar essas incertezas é crucial, pois permite que os cientistas façam declarações fortes e confiáveis sobre o que os dados realmente mostram, disse Mastbaum.
Pesquisadores de Pós-Graduação e Precisão dos Dados
Estudantes de pós-graduação da Rutgers também contribuíram para o projeto. Panagiotis Englezos, um estudante de doutorado no Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências da Rutgers, trabalhou na equipe de Gerenciamento de Dados do MicroBooNE, ajudando a processar os dados experimentais e criar simulações que apoiaram a análise.
Keng Lin, outro estudante de doutorado do departamento, concentrou-se na validação do fluxo de neutrinos do feixe NuMI (Neutrinos do Main Injector) do Fermilab, que foi uma das duas fontes de neutrinos utilizadas no estudo. Juntas, essas iniciativas ajudaram a garantir a precisão e a confiabilidade dos resultados finais.
O Que Isso Significa Para a Física
Segundo Mastbaum, a descoberta é significativa porque elimina um grande candidato a uma nova física além do Modelo Padrão. Embora o Modelo Padrão tenha sido altamente bem-sucedido, ele não explica fenômenos como matéria escura, energia escura ou gravidade. Os pesquisadores continuam buscando pistas que apontem além do modelo, e eliminar uma possibilidade ajuda a restringir o campo.
Cientistas da Rutgers também ajudaram a avançar os métodos para medir como os neutrinos interagem no argônio líquido. Essas técnicas aprimoradas beneficiarão projetos futuros, incluindo o Experimento de Neutrinos em Grande Profundidade (DUNE).
“Com modelagem cuidadosa e abordagens de análise inteligentes, a equipe do MicroBooNE extraiu uma quantidade incrível de informações deste detector”, disse Mastbaum. “Com a próxima geração de experimentos, como o DUNE, já estamos usando essas técnicas para abordar questões ainda mais fundamentais sobre a natureza da matéria e a existência do universo.”
