O que são neutrinos e como podemos medir sua massa? - Nerd Ciência
De todas as partículas elementares do universo, os neutrinos podem ser os mais estranhos. Às vezes conhecidos como "partículas fantasmas", esses misteriosos pequenos pacotes de energia não têm carga elétrica, quase não têm massa e vêm em pelo menos três variedades distintas. Novas pesquisas estão aproximando a ciência do entendimento da natureza dos neutrinos, desde seu tamanho até suas propriedades fundamentais.
Os neutrinos são incrivelmente pequenos. Com uma massa de menos de 0,8 elétron-volt cada, eles são "centenas de milhares de vezes mais leves que a próxima partícula mais leve, que é o elétron", diz Kathrin Valerius, pesquisadora de astropartículas do Instituto de Tecnologia Karlsruhe, na Alemanha.
Eles também são onipresentes. Dezenas de trilhões de neutrinos passam pelo seu corpo a cada segundo, originados principalmente do sol. Mas por causa de seu tamanho pequeno e falta de carga, eles raramente interagem com seus tecidos – ou qualquer outra coisa. "Em toda a sua vida, se um neutrino interage com você, você tem sorte", diz o físico experimental de partículas Sowjanya Gollapinni, do Laboratório Nacional de Los Alamos.
Os físicos teóricos ainda sabem muito pouco sobre os neutrinos, apesar de estarem cientes de sua existência há quase um século. Em 1930, o renomado físico Wolfgang Pauli estava intrigado com um enigma aparentemente impossível. Ao longo de vários experimentos, os contemporâneos de Pauli notaram um erro de contabilidade ao observar o decaimento beta, um processo pelo qual certos átomos radioativos se decompõem. Em vez de ser emitido como elétrons, uma pequena fração da energia do átomo em decomposição aparentemente desapareceu.
Esta observação quebrou a primeira lei da termodinâmica, que afirma que a energia não pode ser criada ou destruída. Então Pauli propôs o que ele descreveu como um "remédio desesperado": ​​um novo tipo de partícula fundamental pequena e sem carga que foi emitida ao lado dos elétrons e responsável pela energia perdida. A ideia do neutrino nasceu.
A partícula neutra de Pauli foi finalmente confirmada em 1956 em um experimento que provou sua existência — mas não seu tamanho. A teoria previa que os neutrinos seriam completamente sem massa.
Mas em 2015 Takaaki Kajita, da Universidade de Tóquio, e Arthur McDonald, da Queen's University, em Ontário, ganharam o Prêmio Nobel de Física por pesquisas que provaram que as partículas realmente têm massa – embora não tenham revelado quanto. Em meados dos anos 2000, o Mainz Neutrino Mass Experiment, na Alemanha, estabeleceu o limite superior da massa de um neutrino em 2,3 elétron-volts. E no início de 2022, dados do Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) na Alemanha.
Uma medição tão precisa requer um equipamento muito sensível – e muito grande. O espectrômetro de 200 toneladas métricas do KATRIN e 70 metros de tubos de ultra-alto vácuo são capazes de atingir temperaturas tão baixas quanto -270,15 graus Celsius e tão altas quanto 250 graus C, permitindo que os pesquisadores detectem bilhões de partículas. As temperaturas extremamente baixas mantêm os superímãs altamente sensíveis ao calor frios o suficiente para gerar um campo magnético forte que permite que os detectores capturem partículas individuais. O experimento muda para altas temperaturas quando precisa de limpeza. Valerius, que trabalha no projeto, o descreve como "um grande forno de pizza".
Mesmo esta configuração não pode detectar as partículas fantasmas indescritíveis diretamente, no entanto. Em vez disso, o espectrômetro mede a energia dos elétrons que são liberados ao lado dos neutrinos pelo hidrogênio radioativo à medida que decai. A energia máxima desses elétrons está bem documentada. Uma vez que os cientistas registram a energia total desse experimento, é simplesmente uma questão de subtrair a energia do elétron: o que sobrar pertence aos neutrinos.
Atualmente, os pesquisadores estão desenvolvendo novos experimentos para aprofundar nossa compreensão dos neutrinos. Um deles, apelidado de Deep Underground Neutrino Experiment, ou DUNE, visa entender outra propriedade misteriosa dos neutrinos: como eles oscilam ou mudam de tipo.
Neutrinos vêm em três "sabores": elétron, múon e tau. Mas essas identidades não são fixas. "Se um neutrino nasce como um determinado sabor, conforme viaja, ele pode se transformar em outros sabores", explica Gollapinni, que faz parte da colaboração DUNE. "É como mudar de identidade." Por exemplo, alguns neutrinos de elétrons do Sol se transformam em neutrinos de múon e tau quando chegam à Terra. Para entender por que e como essa mudança ocorre, DUNE observará um feixe de neutrinos enquanto viaja cerca de 800 milhas no subsolo, da sede do experimento no Fermi National Accelerator Laboratory em Batavia, Illinois, até o Sanford Underground Research Laboratory em Dakota do Sul. .
Os pesquisadores esperam que experimentos como esses ajudem a esclarecer outras questões cosmológicas importantes, como a natureza da matéria escura (que pode ser apenas um quarto sabor ainda não detectado de neutrino chamado "neutrino estéril"), como os buracos negros forma ou mesmo a origem da própria matéria. "A colaboração do KATRIN fez um ótimo trabalho", diz Anthony Ezeribe, físico de partículas da Universidade de Sheffield, na Inglaterra, que também faz parte do DUNE, mas "ainda há trabalho a ser feito".
Valério concorda. E, como muitos cientistas de neutrinos, ela está entusiasmada com o vasto potencial de pesquisa que essa minúscula partícula possui. "Nossa compreensão, ou falta de compreensão, do neutrino não é completa", diz ela. "Ainda nem sabemos o que não sabemos."