Após anos de investigação cuidadosa, os pesquisadores que trabalham no Experimento de Neutrinos Micro Booster (MicroBooNE) determinaram que uma partícula há muito hipotetizada, conhecida como neutrino estéril, não existe. Esta partícula proposta havia sido amplamente discutida como uma possível resposta para problemas não resolvidos na física de partículas. Ao relatar suas descobertas na revista Nature, os resultados da equipe restringem significativamente o leque de explicações para um dos mistérios mais persistentes envolvendo os neutrinos.
“Os neutrinos são partículas fundamentais elusivas que são difíceis de detectar experimentalmente, mas estão entre as partículas mais abundantes do universo,” disse David Caratelli, professor assistente de física da UC Santa Barbara, que atuou como coordenador de física do experimento durante a análise. Experimentos anteriores, conforme explicou, produziram resultados que não correspondiam ao conhecimento existente, levando os cientistas a especular sobre a presença de um quarto neutrino — um neutrino “estéril”. No entanto, as novas medições do MicroBooNE mostram que essa ideia não se alinha com os dados.
De acordo com Caratelli, eliminar a hipótese do neutrino estéril representa um grande avanço. O resultado abre caminho para explorar novas possibilidades e ajuda a preparar o campo para experimentos de neutrinos maiores e mais avançados.
Esta pesquisa recebeu financiamento parcial do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA e da Fundação Nacional de Ciências.
Por que os Neutrinos Ainda Puzzlem os Físicos
O Modelo Padrão fornece uma estrutura bem testada para entender as forças e partículas fundamentais que moldam o universo. Mesmo assim, ele deixa algumas grandes perguntas sem resposta.
“Sabemos que o Modelo Padrão faz um excelente trabalho descrevendo uma série de fenômenos no mundo natural,” disse Matthew Toups, cientista sênior do Fermilab e co-porta-voz do MicroBooNE. “E, ao mesmo tempo, sabemos que é incompleto. Ele não leva em conta a matéria escura, a energia escura ou a gravidade.”
Os neutrinos representam uma dessas lacunas. Quando o Modelo Padrão foi desenvolvido pela primeira vez, pensava-se que os neutrinos não tinham massa. Essa suposição começou a desmoronar no final do século 20, quando experimentos que observavam neutrinos provenientes do espaço revelaram comportamentos inesperados. Certos tipos de neutrinos pareciam desaparecer enquanto viajavam.
Os cientistas perceberam que os neutrinos vêm em três formas, conhecidas como sabores eletrônicos, múon e tau, e que esses sabores podem mudar à medida que os neutrinos se movem pelo espaço. Esse processo, chamado oscilação, implica que os neutrinos devem ter massa.
“A única maneira de essa oscilação ocorrer é se os neutrinos tiverem massa,” explicou Caratelli. “Isso é algo que o Modelo Padrão não previu.”
A Hipótese do Neutrino Estéril
Na década de 1990, novos experimentos aprofundaram o mistério. Estudos no Detector de Neutrinos de Liquid Scintillator (LSND) no Laboratório Nacional de Los Alamos e, posteriormente, no experimento MiniBooNE no Fermilab observaram neutrinos múons se transformando em neutrinos eletrônicos de maneiras que não podiam ser explicadas apenas pelos três tipos conhecidos de neutrinos.
“A explicação mais popular para essas anomalias nos últimos 30 anos tem sido um hipotético neutrino estéril,” disse Justin Evans, professor da Universidade de Manchester e co-porta-voz do MicroBooNE.
Ao contrário dos neutrinos conhecidos, que interagem com outras partículas através da força eletrofraca, um neutrino estéril não interagiria com a matéria da mesma forma. Isso dificultou extremamente a detecção direta.
Como o MicroBooNE Testou a Teoria
Para examinar essas anomalias mais de perto, os cientistas construíram o MicroBooNE no Fermilab, um detector projetado para capturar interações de neutrinos com um detalhe sem precedentes.
Entre 2015 e 2021, o experimento registrou neutrinos produzidos por dois feixes no local do Fermilab. Esses feixes enviaram neutrinos para uma câmara de projeção temporal de argônio líquido, onde suas interações poderiam ser observadas com alta precisão.
“Produzimos neutrinos de um tipo e posicionamos nossos detectores em locais ideais para maximizar a probabilidade de encontrar esse neutrino estéril,” disse Caratelli. “Na prática, o que fizemos foi produzir neutrinos múons e, se um neutrino estéril existisse, veríamos uma aparição de neutrinos eletrônicos.”
A equipe comparou o número de neutrinos eletrônicos detectados com previsões baseadas em modelos que incluíam um neutrino estéril e modelos que não o incluíam. “Basicamente, o que estávamos procurando era o efeito da aparição de novos neutrinos eletrônicos causados por esse fenômeno de oscilação.”
Os resultados mostraram que não houve tal efeito. Os dados corresponderam às expectativas de um universo sem neutrinos estéreis, efetivamente descartando a existência da partícula. Esta conclusão se baseia em trabalhos anteriores liderados pelo grupo da UC Santa Barbara e publicados na Physics Review Letters no verão de 2025, que também não encontrou excesso de neutrinos eletrônicos.
Um Ponto de Virada para a Pesquisa de Neutrinos
Embora a explicação do neutrino estéril tenha sido descartada, as anomalias originais observadas pelo LSND e pelo MiniBooNE não foram totalmente resolvidas.
“Acho que é uma espécie de mudança de paradigma para nós,” disse Caratelli. Com a hipótese de décadas não sendo mais viável, os pesquisadores agora estão explorando um conjunto mais amplo de ideias que poderiam explicar as estranhas observações e potencialmente lançar luz sobre questões mais profundas, incluindo a natureza da matéria escura.
“Temos um cardápio de opções muito mais variado que estamos investigando,” disse Caratelli. As ferramentas e técnicas refinadas durante o experimento MicroBooNE estão agora sendo aplicadas a estudos mais complexos com múltiplos detectores.
Uma ideia alternativa envolve fótons que podem ter sido mal identificados em experimentos anteriores ou que poderiam apontar para novas físicas. O professor de física da UC Santa Barbara e colaborador do MicroBooNE, Xiao Luo, publicou recentemente uma análise inicial examinando essa possibilidade. O trabalho futuro dentro do programa de neutrinos de baixa linha de base do Fermilab deve explorar essas questões com mais detalhes.
Olhando para o Futuro dos Próximos Experimentes
Ao mesmo tempo, a construção do Experimento de Neutrinos Profundos Subterrâneos (DUNE) está avançando. Construído a um quilômetro abaixo da superfície na Instalação de Pesquisa Subterrânea de Sanford em Dakota do Sul, DUNE será o maior detector de neutrinos já criado. Ele receberá um intenso feixe de neutrinos de alta energia enviados através da Terra a partir do Fermilab, a 800 milhas de distância.
“O MicroBooNE é grande — é do tamanho de um ônibus escolar. Mas o DUNE é do tamanho de um campo de futebol,” disse Caratelli. A escala e precisão do DUNE poderiam ajudar a responder perguntas não apenas sobre o comportamento dos neutrinos, mas também sobre por que o universo contém mais matéria do que antimatéria.
De acordo com Caratelli, o MicroBooNE desempenhou um papel crítico na preparação dos cientistas para o que vem a seguir.
“Uma das coisas-chave que o MicroBooNE fez foi nos dar confiança e ensinar como usar essa tecnologia para medir neutrinos com alta precisão,” disse ele. “O que aprendemos com o MicroBooNE sobre como analisar os dados que chegam ao detector se aplica diretamente ao DUNE.”
