Mistério da massa de neutrinos diminui com os últimos resultados de katrin

Os físicos estão mais próximos do que nunca de resolver o quebra -cabeça da massa fantasmagórica de neutrinos

Por Gayoung Lee Editado por Lee Billings

O neutrino é um frigoríssimo notório no mundo da física de partículas. Essa partícula minúscula e indescritível, sem carga elétrica, provavelmente permeia todos os cantos do universo, mas você seria pressionado a saber isso sem instrumentos extremamente especializados. Trilhões passam por você a cada segundo, de fato, tudo sem interagir com um único átomo do seu corpo. Essa é apenas uma das razões pelas quais, para algo tão supostamente abundante e fundamental, sabemos dolorosamente pouco sobre o neutrino – nem mesmo algo tão básico quanto sua massa.

Mas a física dos neutrinos pode estar à beira de um avanço experimental: os físicos com o experimento Karlsruhe Tritium Neutrino (Katrin) na Alemanha conseguiram medir o limite superior da massa do neutrino a meros 0,45 volts de elétrons (eV), que é inferior a um milhão de milhões de massa de uma massa. Esses resultados, publicados na semana passada em Ciênciarepresentam apenas uma fração das investigações de Katrin; Cerca de três quartos dos dados planejados do detector, a partir de sua campanha em andamento de 1.000 dias, ainda precisa ser analisada e revelada.

Outra razão para a emoção é que a Katrin alcançou um aumento duplo na sensibilidade em relação ao ano passado, quando alguns pesquisadores levantaram questões sobre se o experimento seria capaz de progredir na busca de décadas dos físicos para avaliar a massa do neutrino. E a equipe de Katrin pretende impulsionar ainda mais o detector, diz Alexey Lokhov, co-autor do novo estudo e físico experimental do Instituto de Tecnologia Karlsruhe na Alemanha. Na conclusão da campanha de Katrin, ele diz, a sensibilidade do detector é direcionada para uma massa de neutrinos de extremidade inferior de 0,3 eV, outro impulso significativo.

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Com os olhos nesse prêmio, para esta rodada específica de análise de dados, Lokhov e seus colegas, incluindo o co-autor Christoph Wiesinger, realizaram várias revisões técnicas para melhorar significativamente as capacidades do instrumento. “Até o final deste ano, teremos esse novo e realmente grande pedaço de dados para olhar”, diz Wiesinger, físico da Universidade Técnica de Munique, Alemanha. “Agora, Katrin está em uma configuração mais estável e quase final, (então) estou muito confiante de que gerenciaremos isso (impulso de sensibilidade) nos próximos anos.”

O experimento de Katrin iniciou operações em 2019. Ele procura restringir a massa do neutrino, observando o espectro de energia de elétrons e antineutrinos de elétrons emitidos pelo trítio em decomposição, um isótopo radioativo de hidrogênio. Conforme detalhado no novo artigo, durante os primeiros 259 dias do experimento, a Katrin realizou medições de energia de cerca de 36 milhões de elétrons. Do espectro de energia desses elétrons, os físicos foram capazes de inferir a massa do neutrino, identificando o que pareceria ser uma “distorção” no espectro de energia dos elétrons, explica Lokhov. “O truque é que, para produzir um neutrino nesse processo de decaimento, é preciso pelo menos produzir uma massa de que uma pequena massa diferente de zero (isso) influenciaria quanta energia (seria) deixada para os elétrons”. E essa energia “restante”, diz ele, sugeriria a presença de outra coisa – o neutrino – presente no processo de decaimento.

Para ficar claro, Katrin ainda não tem Bloqueado em um valor absoluto para a massa de neutrinos – não deve. Mas esse pode ser mais o produto da estranheza inata do neutrino, do que qualquer representação das deficiências de Katrin. A massa do neutrino é particularmente indescritível, porque se recusa teimosamente a cumprir os princípios do modelo padrão de física de partículas. Famosamente, quase todas as previsões dessa teoria foram confirmadas experimentalmente, mas algumas de suas previsões para os neutrinos caíram notoriamente. O modelo prevê que os neutrinos devem ser completamente sem massa, mas isso foi finalmente refutado por um experimento vencedor do Nobel que mostrou neutrinos não apenas ter massa, mas também, por qualquer motivo, mudar Massa oscilando entre três variedades de neutrinos diferentes, ou “sabores”.

“Você sabe, quando tudo está resolvido e estamos todos felizes (neutrinos) são como aquela pessoa na sala dizendo: não, não exatamente”, reflete Carlos Argüelles Delgado, físico da Universidade de Harvard, que não é afiliado a Katrin.

Mas a natureza problemática do neutrino é precisamente o motivo pelo qual os físicos estão tão apaixonados por ela; A pequena partícula, diz os teóricos, deve ser um rebelde com Uma causa, com uma explicação mais profunda e mais fundamental para suas peculiaridades que poderiam abrir vastos novos reinos da física além dos limites cada vez mais brandos do modelo padrão. E resultados como a de Katrin fazem parte de um fluxo constante de avanços teóricos e experimentais, aproximando-nos de cada vez mais perto daqueles avanços tão esperados.

“Há um negócio complicado aqui porque os neutrinos são superposições de estados de massa – eles têm três – e o que (Katrin) mostra é que essa combinação de massa não pode ser maior que 0,45 eV”, diz Argüelles Delgado. Agora, com a longa campanha do experimento definida para concluir até o final deste ano, o relógio está passando para uma contagem regressiva final. O tempo está acabando para aumentar ainda mais sua sensibilidade e apertar sua armadilha em torno deste escorregadio subversivo subatômico. “Se a verdadeira massa dos neutrinos estiver dentro da faixa de sensibilidade de Katrin, Katrin deve ser capaz de medi -la”, explica Georgia Karagiorgi, um físico de partículas da Universidade de Columbia, que não faz parte da equipe de pesquisa.

Dito isto, Katrin provavelmente será o último do gênero, diz Argüelles Delgado, observando os retornos decrescentes associados à ampliação de tais experimentos. Os principais investimentos para tornar os experimentos maiores e de mais tempo corre o risco de oferecer avanços marginais-o que é mais uma das razões pelas quais os custos irrecuperáveis ​​de Katrin e o sucesso contínuo agora exigem urgência. “Dadas as projeções de Katrin, fica claro que dados adicionais ajudarão a obtê -los (os pesquisadores) segmentar a sensibilidade, então eles precisam absolutamente executá -los agora”, diz Karagiorgi.

Se ou quando Katrin alcançar sua sensibilidade mais alta pretendida, esse experimento em particular terminará – mas a esperança é que futuros instrumentos possam continuar sua missão, prestando atenção ao que os físicos aprenderam com Katrin. Apesar de seu fim, os dados serão um tesouro que os físicos explorarão para descobertas por muitos anos. Afinal, a maior busca para medir a massa do neutrino é inquestionavelmente uma maratona.

“Os neutrinos são tão esquivos que, bem, você precisa desses grandes detectores ou tecnologias muito, muito sofisticadas”, diz Wiesinger. “Mas, embora a massa (dos neutrinos) seja tão pequena, esperamos hoje que, apenas por haver tantos (deles), eles têm uma grande influência no cosmos – como as estruturas estão se formando e como elas evoluem.”

É fascinante perceber que uma partícula infinitesimal e rebelde pode ter efeitos tão profundos nas escalas subatômicas e cósmicas – e que podem ser estudadas robustamente em laboratórios de terra.

“Os neutrinos são portais únicos para novas descobertas em física-sempre foram assim desde o início, quando foram postuladas pela primeira vez”, diz Lokhov. “E mesmo agora, eles ainda estão trazendo algumas descobertas novas e emocionantes que (além) nossa compreensão da natureza.”