Físicos deram um pequeno, mas consequente, passo em direção à medição da massa de uma elusiva “partícula fantasma” chamada neutrino – uma conquista que poderia abrir um significativo buraco no Modelo Padrão da física de partículas.
Uma medição precisa da massa do neutrino permitiria aos físicos mergulharem mais fundo na evolução do nosso universo e potencialmente encontrarem novas físicas não descobertas escondidas além do Modelo Padrão. Mas medir essa massa não é fácil. O apelido assustador das partículas é bem merecido: elas não têm carga elétrica e quase não têm massa, o que significa que atravessam a matéria comum quase à velocidade da luz.
Então, para se aproximar do limite superior mais preciso da massa do neutrino até agora, os pesquisadores tiveram que desenvolver um experimento com sensibilidade sem precedentes. Eles relataram suas descobertas em um artigo publicado em 19 de abril na revista Nature Physics.
“Com um Airbus A-380 carregado até o máximo, você poderia usar essa sensibilidade para determinar se uma única gota de água caiu nele”, disse Christoph Schweiger, um estudante de doutorado no Instituto Max Planck de Física Nuclear na Alemanha e primeiro autor do estudo.
A cada segundo, cerca de 100 bilhões de neutrinos passam por cada centímetro quadrado do seu corpo. As minúsculas partículas estão em todos os lugares – produzidas no fogo nuclear das estrelas, em enormes explosões de supernovas, por raios cósmicos e decaimento radioativo, e em aceleradores de partículas e reatores nucleares na Terra.
De fato, os neutrinos, que foram descobertos pela primeira vez saindo de um reator nuclear em 1956, ocupam o segundo lugar, atrás apenas dos fótons (partículas de luz), como as partículas subatômicas mais abundantes do universo.
No passado, os físicos assumiam que os neutrinos (assim como os fótons) não tinham massa de repouso – um fato que tornaria sua existência compatível com o Modelo Padrão da física de partículas. Mas essa suposição foi contestada pela descoberta de neutrinos saindo do sol, que podem alternar aleatoriamente entre os três “sabores” de neutrinos – neutrinos de elétron, múon e tau, que se referem às diferentes partículas com as quais os neutrinos interagem.
Tal transformação só deveria ser possível se os neutrinos tivessem alguma massa, levando os físicos a projetar experimentos complexos para medi-la.
Um fantasma nas balanças
Tecnicamente, a estranheza da mistura quântica mecânica entre os três sabores de neutrinos significa que nenhum deles tem uma massa bem definida. Em vez disso, eles são combinações de três diferentes “estados de massa”. Isso significa que os físicos não procuram uma leitura exata da massa de um neutrino, mas sim um limite superior de quão grande essa massa poderia ser.
Quase 99% da massa de qualquer objeto, incluindo nossos próprios corpos, vem da energia de ligação que mantém as partículas elementares juntas dentro dos átomos. O restante de 1% da massa, no entanto, é intrínseco a essas partículas.
Para encontrar essa massa intrínseca, os físicos procuram algo chamado valor Q – a diferença entre a soma das massas dos reagentes iniciais e a soma das massas dos produtos finais. Com esse valor em mãos, medições adicionais podem extrair a massa intrínseca da massa total do átomo.
Um experimento de medição de massa de neutrino, o experimento Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) na Alemanha, encontrou uma estimativa precisa para a massa do neutrino, medindo a energia – e, portanto, pela E = mc2 de Einstein, a diferença de massa – conforme o hidrogênio superpesado se degradava em hélio, emitindo um elétron e um neutrino no processo.
O melhor resultado do experimento KATRIN encontrou um limite superior de massa do neutrino de 0,8 elétron-volt, tornando-o aproximadamente 500.000 vezes menor do que a massa de um elétron.
Essa medição também pode ser feita ao contrário, observando um elétron sendo capturado pelo isótopo artificial holmio-163, transformando-o em disprosio-163 e liberando um neutrino. Mas, para fazer isso, o isótopo deve ser cercado por átomos de ouro.
“Entretanto, esses átomos de ouro podem influenciar o holmio-163”, disse Schweiger. “Portanto, é importante medir o valor de Q o mais precisamente possível usando um método alternativo” e compará-lo com o valor de massa determinado pelo método KATRIN para detectar possíveis fontes de erro.
Para se aproximar de uma medição separada da elusiva massa do neutrino, os pesquisadores projetaram um experimento conhecido como Penantrap – uma combinação de cinco “armadilhas de Penning”, que podem capturar átomos dentro de uma combinação de um campo elétrico e um campo magnético, em que eles giram em um intrincado movimento conhecido como “dança circular”.
Ao colocar íons de holmio-163 e disprosio-163 carregados dentro das armadilhas de Penning e medir as sutis diferenças em suas taxas de oscilação, os físicos avaliaram a diferença em suas energias causada pelo neutrino adicional.
O resultado foi uma medição de um valor Q que os pesquisadores dizem ser 50 vezes mais precisa do que o resultado de qualquer experimento anterior. Com este resultado em mãos, um limite superior ainda melhor para a elusiva massa do neutrino está um pequeno – mas significativo – passo mais perto.
