Um pesquisador da Michigan State University ajudou a liderar um esforço inovador que aproxima os cientistas de descobrir como o universo veio a existir.
Pela primeira vez, dois dos maiores experimentos de neutrinos do mundo — T2K no Japão e NOvA nos Estados Unidos — combinaram seus dados para alcançar uma precisão sem precedentes no estudo dos neutrinos, partículas quase invisíveis que preenchem o cosmos, mas raramente interagem com qualquer coisa.
A análise conjunta deles, recentemente publicada na Nature, oferece as medições mais precisas até agora de como os neutrinos mudam de um tipo para outro à medida que viajam pelo espaço. Este marco abre caminho para futuras pesquisas que podem aprofundar nossa compreensão sobre a evolução do universo — ou até desafiar teorias científicas atuais.
Kendall Mahn, professora de física e astronomia na Michigan State University e co-portavoz do T2K, ajudou a coordenar a colaboração. Ao unirem as forças de ambos os experimentos, as equipes obtiveram resultados que nenhuma delas poderia alcançar sozinha.
“Esta foi uma grande vitória para nossa área,” disse Mahn. “Isso mostra que podemos realizar esses testes, podemos olhar para os neutrinos em mais detalhes e podemos ter sucesso em trabalhar juntos.”
Por Que a Matéria Existe
Segundo os físicos, o universo primitivo deveria conter quantidades iguais de matéria e antimateria. Se esse fosse o caso, os dois teriam se aniquilado completamente. No entanto, a matéria de alguma forma sobreviveu — e não temos uma razão clara para isso.
Muitos pesquisadores acreditam que a resposta pode estar escondida no comportamento estranho dos neutrinos, minúsculas partículas que constantemente passam por nós, mas raramente interagem. Compreender um processo chamado oscilação de neutrinos, onde essas partículas mudam de “sabores” enquanto se movem, pode ajudar a explicar por que a matéria triunfou sobre a antimateria.
“Os neutrinos não são bem compreendidos,” disse Joseph Walsh, pós-doutorando na MSU e que trabalhou no projeto. “Suas massas muito pequenas significam que eles não interagem com frequência. Centenas de trilhões de neutrinos do sol passam pelo seu corpo a cada segundo, mas quase todos passam direto. Precisamos produzir fontes intensas ou usar detectores muito grandes para dar a eles uma chance suficiente de interagir para que possamos vê-los e estude-los.”
Como os Experimentos Funcionam
Ambos T2K e NOvA são conhecidos como experimentos de longo alcance. Cada um envia um feixe focado de neutrinos em direção a dois detectores — um próximo da fonte e outro a centenas de milhas de distância. Ao comparar os resultados de ambos os detectores, os cientistas podem rastrear como os neutrinos mudam ao longo do caminho.
Como os experimentos diferem em design, energia e distância, a combinação de seus dados oferece aos pesquisadores uma imagem mais completa.
“Ao realizar uma análise conjunta, você pode obter uma medição mais precisa do que cada experimento poderia produzir sozinho,” disse a colaboradora do NOvA, Liudmila Kolupaeva. “Como regra, experimentos em física de alta energia têm designs diferentes, mesmo que tenham o mesmo objetivo científico. As análises conjuntas nos permitem utilizar características complementares desses designs.”
O Enigma da Massa do Neutrino
Um foco principal do estudo é algo chamado “ordenação da massa de neutrinos,” que questiona qual tipo de neutrino é o mais leve. Isso não é tão simples quanto pesar partículas em uma balança. Os neutrinos existem em três estados de massa, e cada sabor de neutrino é, na verdade, uma mistura desses estados.
Os cientistas estão tentando determinar se a arrumação das massas segue um padrão “normal” (dois leves e um pesado) ou um “invertido” (dois pesados e um leve). No caso normal, os neutrinos múon são mais propensos a se tornarem neutrinos elétrons, enquanto seus parceiros de antimateria são menos propensos a fazê-lo. O oposto ocorre no padrão invertido.
Um desequilíbrio entre neutrinos e suas contrapartes de antimateria pode significar que essas partículas violam um princípio conhecido como simetria de carga-paridade (CP) — o que significa que não se comportam exatamente da mesma forma que seus opostos especulares. Tal violação poderia explicar por que a matéria domina o universo.
O Que os Resultados Mostram
Os resultados combinados do NOvA e T2K ainda não apontam decisivamente para qualquer ordenação de massa. Se estudos futuros confirmarem a ordenação normal, os cientistas ainda precisarão de mais dados para esclarecer se a simetria CP é quebrada. Mas se a ordenação invertida se mostrar correta, esta pesquisa sugere que os neutrinos poderiam, de fato, violar a simetria CP, oferecendo uma pista poderosa sobre por que a matéria existe.
Se os neutrinos não se revelarem como violadores da simetria CP, os físicos perderiam uma de suas explicações mais fortes para a existência da matéria.
Embora esses resultados não resolvam o mistério dos neutrinos de imediato, eles ampliam o que os cientistas sabem sobre essas partículas esquivas e demonstram a força da colaboração internacional na física.
A colaboração do NOvA inclui mais de 250 cientistas e engenheiros de 49 instituições em oito países. A equipe do T2K envolve mais de 560 membros de 75 instituições em 15 nações. Os dois grupos começaram a trabalhar juntos nesta análise em 2019, mesclando oito anos de dados do NOvA com uma década de resultados do T2K. Ambos os experimentos continuam a coletar novas informações para futuras atualizações.
“Esses resultados são fruto da cooperação e do entendimento mútuo de duas colaborações únicas, envolvendo muitos especialistas em física de neutrinos, tecnologias de detecção e técnicas de análise, trabalhando em ambientes muito diferentes, usando métodos e ferramentas diferentes,” disse o colaborador do T2K, Tomáš Nosek.
