Os neutrinos são extraordinariamente difíceis de detectar, mas estão entre as partículas de matéria mais abundantes do Universo. De acordo com o Modelo Padrão da física de partículas, existem três tipos conhecidos. Essa visão mudou quando os cientistas descobriram as oscilações de neutrinos, um fenômeno que demonstra que os neutrinos têm massa e podem mudar entre tipos à medida que se movem pelo espaço. Ao longo dos anos, vários resultados experimentais inexplicáveis alimentaram especulações sobre uma quarta variedade conhecida como neutrino estéril, que interagiria ainda mais fracamente do que os outros. Confirmar sua existência marcaria uma mudança significativa em nossa compreensão da física fundamental.
Um novo estudo publicado na Nature relata a busca direta mais precisa até agora por neutrinos estéreis. O trabalho vem da colaboração KATRIN, que analisou decaimentos radioativos de trítio para procurar sinais sutis de um tipo adicional de neutrino.
O experimento KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) foi originalmente projetado para medir a massa dos neutrinos. Ele faz isso rastreando cuidadosamente as energias dos elétrons liberados durante o β-decado de trítio. Quando o trítio decai, o neutrino transporta parte da energia, o que altera levemente o padrão de energia dos elétrons emitidos. Se um neutrino estéril fosse às vezes produzido, ele deixaria uma distorção reconhecível, ou “canto”, nesse padrão.
Localizado no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha, o KATRIN se estende por mais de 70 metros de comprimento. Sua configuração inclui uma fonte de trítio gasoso sem janelas, um espectrômetro de alta resolução que mede precisamente as energias dos elétrons e um detector que registra as partículas. Desde o início das operações em 2019, o experimento coletou dados de β-decado de trítio com precisão incomparável, especificamente em busca das pequenas desvios esperados de um neutrino estéril.
O que os dados revelam sobre os neutrinos estéreis
No novo artigo da Nature, a equipe relata a busca de β-decado de trítio mais sensível para neutrinos estéreis até o momento. Entre 2019 e 2021, o KATRIN registrou cerca de 36 milhões de elétrons durante 259 dias de coleta de dados. Essas medições foram comparadas com modelos detalhados de β-decado e alcançaram uma precisão melhor que um por cento. A análise não encontrou evidências de um neutrino estéril.
Esse resultado descarta uma ampla gama de possibilidades que haviam sido sugeridas por anomalias anteriores. Essas anomalias incluíam déficits inesperados observados em experimentos com neutrinos de reator e medições de fonte de gálio, ambos sugerindo a existência de um quarto neutrino. As descobertas também contradizem completamente o experimento Neutrino-4, que alegou ter evidências para tal partícula.
A excepcional baixa atividade de fundo do KATRIN significa que quase todos os elétrons detectados se originam do decaimento do trítio, permitindo uma medição muito limpa do espectro de energia. Diferentemente dos experimentos de oscilação, que observam como os neutrinos mudam de identidade após percorrer uma certa distância, o KATRIN examina a distribuição de energia no momento em que o neutrino é criado. Como esses métodos investigam diferentes aspectos do comportamento dos neutrinos, eles se complementam e juntos fornecem evidências fortes contra a hipótese do neutrino estéril.
Como o KATRIN complementa outros experimentos
“Nosso novo resultado é totalmente complementar aos experimentos de reatores, como o STEREO”, explica Thierry Lasserre (Max-Planck-Institut für Kernphysik) em Heidelberg, que liderou a análise. “Enquanto os experimentos de reatores são mais sensíveis às diferenças de massa entre neutrinos estéreis e ativos abaixo de alguns eV2, o KATRIN explora a faixa de alguns a várias centenas de eV². Juntas, as duas abordagens agora descartam consistentemente neutrinos estéreis leves que se misturariam de maneira notável com os tipos conhecidos de neutrinos.”
Olhando para o futuro: mais dados e novos detectores
O KATRIN continuará coletando dados até 2025, o que melhorará ainda mais sua sensibilidade e permitirá testes ainda mais rigorosos para neutrinos estéreis leves. “Até a conclusão da coleta de dados em 2025, o KATRIN terá registrado mais de 220 milhões de elétrons na região de interesse, aumentando as estatísticas em mais de um fator de seis”, diz a co-porta-voz do KATRIN, Kathrin Valerius (KIT). “Isso nos permitirá expandir os limites de precisão e investigar ângulos de mistura abaixo dos limites atuais.”
Uma atualização é planejada para 2026, quando o detector TRISTAN será adicionado ao experimento. O TRISTAN registrará todo o espectro de β-decado de trítio com estatísticas sem precedentes. Ao evitar o espectrômetro principal e medir as energias dos elétrons diretamente, o TRISTAN poderá investigar neutrinos estéreis muito mais pesados. “Essa configuração de próxima geração abrirá uma nova janela para a faixa de massa em keV, onde os neutrinos estéreis podem até formar a matéria escura do Universo”, diz a co-porta-voz Susanne Mertens (Max-Planck-Institut für Kernphysik).
Um esforço científico internacional
A Colaboração KATRIN reúne cientistas de mais de 20 instituições em 7 países, refletindo o esforço global por trás de um dos experimentos de neutrinos mais precisos já construídos.