Pesquisadores da Universidade de Indiana contribuíram para um avanço significativo em nossa compreensão do universo por meio de uma parceria entre dois importantes experimentos internacionais de neutrinos. Os neutrinos são partículas extremamente pequenas, quase sem massa, que passam constantemente pelo espaço, planetas e até mesmo pelos nossos corpos, mas raramente interagem com qualquer coisa. As descobertas publicadas na revista Nature aproximam os cientistas de responder a uma questão profunda: por que o universo contém matéria, como estrelas, planetas e vida, em vez de ser vazio?
O avanço resulta de uma análise conjunta sem precedentes de dados do experimento NOvA, nos Estados Unidos, e do T2K, no Japão. Esses dois projetos de neutrinos de longa distância estão entre os mais sofisticados de seu tipo. Ao combinar seus resultados, os pesquisadores podem estudar melhor os neutrinos e seus contrapartes de antimatéria, oferecendo insights sobre por que o universo não se destruiu imediatamente após o Big Bang.
Em ambos os experimentos, os cientistas geram feixes de neutrinos usando aceleradores de partículas e os enviam através de vastas distâncias subterrâneas para detectores massivos. Detectá-los é extraordinariamente difícil. De incontáveis partículas produzidas, apenas uma fração minúscula deixa sinais mensuráveis. Detectores avançados e softwares poderosos são então utilizados para reconstruir essas interações raras e estudar como os neutrinos mudam à medida que viajam.
A Universidade de Indiana tem desempenhado um papel importante nesse trabalho há décadas. Cientistas de IU contribuíram para a construção de sistemas de detecção, interpretação de dados e orientação de jovens pesquisadores. Mark Messier, Professor Distinto e Chefe do departamento de Física da Faculdade de Artes e Ciências da IU Bloomington, tem ocupado cargos de liderança no projeto desde 2006. Outros pesquisadores da IU envolvidos incluem os físicos Jon Urheim e James Musser (Emeritus), o Professor de Astronomia Stuart Mufson (Emeritus) e Jonathan Karty, do departamento de Química da faculdade da IU.
Neutrinos e o Mistério Matéria-Antimatéria
Os neutrinos estão entre as partículas mais comuns no cosmos. Eles não possuem carga elétrica e têm praticamente nenhuma massa, o que os torna incrivelmente difíceis de detectar. Essa mesma propriedade, no entanto, os torna ferramentas inestimáveis para investigar as leis mais profundas da física.
Um dos maiores enigmas da cosmologia é por que o universo é dominado por matéria. O Big Bang deveria ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria. Quando matéria e antimatéria se encontram, elas se aniquilam em uma explosão de energia. Se o universo primitivo tivesse contido quantidades perfeitamente iguais de ambos, tudo teria desaparecido. Em vez disso, um leve desequilíbrio favoreceu a matéria, permitindo a formação de galáxias, estrelas, planetas e vida.
Os cientistas acreditam que os neutrinos podem ajudar a explicar esse desequilíbrio. Os neutrinos existem em três variedades, ou “sabores”, conhecidas como elétron, múon e tau. À medida que se movem pelo espaço, eles podem mudar de um sabor para outro em um processo chamado oscilação. Se neutrinos e antineutrinos oscilam de maneira diferente, essa diferença pode apontar para por que a matéria acabou prevalecendo.
NOvA e T2K Unem Forças
O novo estudo na Nature se destaca porque combina dados de dois observatórios de neutrinos de primeira linha. O NOvA (o experimento de aparição de νe fora do eixo do NuMI) envia um feixe de neutrinos a 810 quilômetros do Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi, perto de Chicago, para um detector de 14.000 toneladas em Ash River, Minnesota. Enquanto isso, o projeto T2K do Japão dispara um feixe a 295 quilômetros do acelerador J-PARC, em Tokai, para o enorme detector Super-Kamiokande sob o Monte Ikenoyama.
Ao analisar seus resultados juntos, os pesquisadores melhoraram sua capacidade de medir como os neutrinos se comportam. Segundo um comunicado à imprensa da Nature, “Combinar as análises aproveita as sensibilidades complementares dos dois experimentos e demonstra o valor da colaboração.” A distância maior do NOvA através da Terra e o feixe mais curto, mas mais intenso, do T2K oferecem forças complementares, permitindo que os cientistas comparem e refine suas medições com excepcional precisão.
Poolando os conjuntos de dados, as equipes puderam determinar melhor os parâmetros que controlam as oscilações dos neutrinos, especialmente aqueles relacionados às diferenças entre neutrinos e antineutrinos. Os resultados se concentram na simetria CP (simetria carga-paridade), o princípio de que a matéria e a antimatéria devem seguir leis físicas idênticas, comportando-se como imagens espelhadas uma da outra.
No entanto, o universo observável é esmagadoramente composto por matéria, com muito pouca antimatéria restante do Big Bang. As descobertas combinadas sugerem que pode haver uma diferença na maneira como os neutrinos e antineutrinos oscilam, indicando uma possível violação da simetria CP. Em termos simples, os neutrinos podem não se comportar exatamente como suas contrapartes de antimatéria. Essa sutil distinção poderia ser uma pista crucial para entender por que a matéria sobreviveu.
“Fizemos progresso nessa grande pergunta, que parece intratável: por que existe algo em vez de nada?” disse o Professor Messier. “E, estabelecemos a base para futuros programas de pesquisa que buscam usar neutrinos para enfrentar outras questões.”
Tecnologia, Treinamento e Colaboração Global
Experimentos de física de partículas de grande escala frequentemente produzem benefícios além da ciência fundamental. As tecnologias desenvolvidas para detectar neutrinos, incluindo eletrônica de alta velocidade e sistemas avançados de análise de dados, frequentemente encontram aplicações práticas na indústria. O esforço de pesquisa conjunto é apoiado por financiamento do Departamento de Energia dos EUA.
“Houve inovações tecnológicas transformadoras em todos os setores da sociedade que surgiram da física de alta energia,” observou Messier. “Além disso, os próximos cientistas se imergem em ciência de dados, aprendizado de máquina, inteligência artificial e eletrônica, e depois entram em indústrias com as habilidades profundas que adquiriram enquanto tentavam responder a essas questões realmente difíceis.”
As colaborações NOvA e T2K envolvem centenas de cientistas de mais de uma dúzia de países nos Estados Unidos, Europa e Japão. Sua análise compartilhada demonstra o poder científico da cooperação internacional.
Os alunos de doutorado da IU que atualmente contribuem para o estudo conjunto incluem Reed Bowles, Alex Chang, Hanyi Chen, Erin Ewart, Hannah LeMoine e Maria Manrique-Plata. Desde que o NOvA começou em 2014, Messier e seus colegas também orientaram muitos alunos de graduação e pós-graduação da IU que trabalham no experimento.
A parceria oferece uma prévia de como futuros grandes projetos de física de partículas podem operar. Para a Universidade de Indiana e seus colaboradores, os resultados abrem a porta para estudos ainda mais precisos que se baseiam neste trabalho.
“Como físico, acho fascinante que uma grande questão, como por que há matéria no universo em vez de antimatéria, possa ser desmembrada em perguntas menores e passo a passo”, disse Messier. “Em vez de ficarmos estarrecidos pela enormidade disso, podemos realmente avançar em direção a uma resposta sobre por que estamos aqui no universo.”
