Após dez anos coletando e estudando dados, uma equipe internacional de físicos, incluindo pesquisadores da Rutgers, derrubou uma ideia duradoura sobre um tipo misterioso de partícula.
Os resultados foram publicados na Nature e são oriundos do experimento MicroBooNE no Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi, do Departamento de Energia dos EUA (Fermilab) em Batavia, Illinois. (O acrônimo MicroBooNE significa “Micro Booster Neutrino Experiment”.)
Um Teste de Uma Década no Fermilab
O MicroBooNE utiliza um grande detector de argônio líquido e observações de dois feixes separados de neutrinos. Ao rastrear com cuidado 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 Rutgers School of Arts and Sciences e membro da equipe de liderança do MicroBooNE, descreveu a descoberta como uma mudança significativa para o campo.
“Esse resultado irá estimular ideias inovadoras em toda a pesquisa sobre neutrinos para entender o que realmente está acontecendo”, disse ele. “Podemos excluir um grande suspeito, mas isso não resolve totalmente o mistério.”
Por que os Neutrinos São Importantes
Neutrinos são partículas extremamente pequenas que raramente interagem com a matéria. Eles podem atravessar planetas inteiros sem desacelerar. De acordo com o Modelo Padrão, que é a estrutura líder 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.
Em experimentos anteriores, no entanto, os cientistas observaram um comportamento dos neutrinos que não correspondia totalmente às previsões do Modelo Padrão. Para explicar esses resultados, 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 de modo algum, exceto através 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 mudaram enquanto viajavam. Após dez anos coletando e interpretando dados, os pesquisadores não encontraram evidências que apoiassem a hipótese do neutrino estéril. Isso efetivamente encerra uma das explicações mais discutidas para o comportamento incomum dos neutrinos.
Mastbaum desempenhou um papel central na orientação dos esforços de análise do experimento como co-coordenador de ferramentas e técnicas de análise. Seu trabalho se concentrou em como os sinais brutos do detector foram convertidos em conclusões científicas significativas. Ele também liderou esforços anteriores 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. Contabilizar com precisão esses fatores é essencial para tirar conclusões firmes a partir dos dados.
Obter essas incertezas corretamente é fundamental porque permite que os cientistas façam afirmações 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 Rutgers School of Arts and Sciences, trabalhou na Equipe de Gestão de Dados do MicroBooNE, ajudando a processar dados experimentais e criar simulações que apoiaram a análise.
Keng Lin, outro estudante de doutorado do departamento, se concentrou na validação do fluxo de neutrinos do feixe NuMI (Neutrinos do Main Injector) do Fermilab, que foi uma das duas fontes de neutrinos usadas no estudo. Juntas, essas contribuições ajudaram a garantir a precisão e a confiabilidade dos resultados finais.
O Que Isso Significa para a Física
De acordo com Mastbaum, a descoberta é significativa porque elimina um candidato importante para uma nova física além do Modelo Padrão. Embora o Modelo Padrão tenha sido extremamente bem-sucedido, ele não explica fenômenos como matéria escura, energia escura ou gravidade. Os pesquisadores continuam a buscar pistas que apontem além do modelo, e eliminar uma possibilidade ajuda a restringir o campo.
Cientistas da Rutgers também ajudaram a avançar métodos para medir como os neutrinos interagem no argônio líquido. Essas técnicas aprimoradas beneficiarão projetos futuros, incluindo o Experimento de Neutrinos Profundos Subterrâneo (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.”
