“Para cada átomo do Universo, existem aproximadamente um bilhão de neutrinos”
Ciência e o Futuro: O neutrino é uma das partículas mais fundamentais da matéria comum. Como é único no modelo padrão da física de partículas?
Thierry Lasserre: O neutrino é uma partícula separada no modelo padrão. Ao contrário do electrão ou dos quarks, não tem carga eléctrica nem carga forte: portanto, não interage nem com a força electromagnética nem com a força nuclear forte. A gravidade, por sua vez, é insignificante na escala das partículas. Resultado: o neutrino só interage através da interação fraca. Ele é capaz de passar pela matéria quase sem parar.
Outra singularidade impressionante: os neutrinos são as partículas de matéria mais abundantes no Universo. Para cada átomo do Universo, existem aproximadamente um bilhão de neutrinos. Individualmente quase indetectáveis, desempenham, no entanto, um papel importante, tanto na física de partículas como na cosmologia, particularmente na evolução das grandes estruturas do Universo.
Finalmente, a sua massa permanece um enigma. Os neutrinos são extremamente leves – pelo menos um milhão de vezes mais leves (0,45 eletrões-volt no máximo) que o eletrão – e a origem da sua massa permanece obscura. Ao contrário de outros férmions (léptons e quarks, nota do editor), ainda não sabemos com certeza se a sua massa vem do mecanismo do bóson de Higgs.
“Algumas anomalias experimentais sugerem que poderia haver um quarto tipo de neutrino”
A colaboração KATRIN visa, entre outras coisas, detectar um quarto sabor do neutrino descrito como “estéril”. Você usou o método de análise de espectroscopia de radioatividade beta de trítio. Em que consiste esse método?
No modelo padrão, existem três tipos – ou “sabores” – de neutrinos: eletrônicos, muônicos e tauicos, cada um associado a uma partícula carregada. Durante várias décadas, certas anomalias experimentais sugeriram que poderia existir um quarto tipo de neutrino, denominado “estéril”. A chave para rastreá-lo está em um fenômeno bem estabelecido: as oscilações dos neutrinos. Quando se propagam, os neutrinos podem mudar espontaneamente de sabor. Se existisse um neutrino estéril, ele poderia se manifestar indiretamente, misturando-se com neutrinos comuns, deixando uma marca mensurável, mesmo sem interação direta.
O experimento KATRIN é baseado em um método muito diferente dos experimentos clássicos de oscilação. Ela estuda com extrema precisão o decaimento beta do trítio, um isótopo radioativo de hidrogênio composto por um próton e dois nêutrons. Durante esse decaimento, um elétron e um neutrino são emitidos. Cerca de cem decaimentos ocorrem a cada segundo dentro do espectrômetro em nosso experimento. Sendo os neutrinos indetectáveis diretamente, o KATRIN então se concentra no elétron.
Decaimento beta do trítio, durante o qual são emitidos um núcleo de hélio 3, um elétron e um antineutrino (ou neutrino). Crédito: Colaboração KATRIN Cdt, Thierry Lasserre.
Sendo o neutrino uma partícula interagindo fracamente com a matéria, como podemos provar a existência do quarto estado da partícula subatômica?
Medindo com precisão a energia produzida pelo elétron por meio da espectroscopia beta, podemos deduzir informações sobre o neutrino que o acompanha, graças à conservação de energia. No caso em que o neutrino estéril está ausente, o espectro de energia dos elétrons representa uma curva que pode ser calculada com muita precisão. Por outro lado, se for produzido um neutrino estéril, com massa diferente, isso criaria uma descontinuidade acentuada no espectro beta do trítio. Isto corresponderia à emissão de um neutrino mais massivo, que o KATRIN procura como uma espécie de “assinatura”. Idealmente, esta observação deveria ser confirmada por outros experimentos independentes, utilizando métodos diferentes. É esta convergência de resultados que confirmaria a hipótese do neutrino estéril.
Esta abordagem científica é particularmente robusta porque se baseia unicamente na forma do espectro. Os resultados recentemente publicados, baseados na análise de dezenas de milhões de eletrões, já impõem restrições muito fortes à existência de neutrinos estéreis na gama de massas estudada (menos de 0,45 eV).
“O neutrino é distinto da sua antipartícula ou é a sua própria antipartícula?”
Quais são as grandes questões que permanecem sobre a partícula fantasmagórica? O que podemos esperar para melhorar a busca pelo potencial quarto estado do neutrino?
Várias questões fundamentais permanecem. Ainda não sabemos a massa absoluta dos neutrinos, apenas as diferenças de massa entre eles. A sua hierarquia exacta – que é mais pesada ou mais leve – também continua por determinar.
Outra questão importante diz respeito à sua natureza profunda: o neutrino é distinto da sua antipartícula ou é a sua própria antipartícula? Se esta segunda hipótese se confirmasse, seria uma descoberta revolucionária, envolvendo uma nova categoria de partículas e novos mecanismos para explicar a sua massa.
Finalmente, a possível existência de neutrinos estéreis em outras escalas de massa, notadamente na faixa do quiloelétron-volt, permanece em aberto. Essas partículas poderiam até ajudar a explicar parte da matéria escura. O KATRIN já eliminou grande parte do espaço de parâmetros onde eram esperados neutrinos estéreis leves. Outras melhorias instrumentais estão planeadas a partir de 2027, a fim de explorar neutrinos estéreis mais pesados, potencialmente ligados à matéria escura.