Os neutrinos são extremamente 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 perspectiva mudou quando cientistas descobriram oscilações de neutrinos, um fenômeno que demonstra que os neutrinos têm massa e podem alternar entre tipos à medida que se movem pelo espaço. Ao longo dos anos, vários resultados experimentais inexplicáveis alimentaram a especulação 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 é realizado pela colaboração KATRIN, que analisou decaimentos radioativos de trítio em busca de 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 com cuidado as energias dos elétrons liberados durante o β-decay do trítio. Quando o trítio decai, o neutrino carrega uma parte da energia, o que altera ligeiramente o padrão de energia dos elétrons emitidos. Se um neutrino estéril fosse produzido ocasionalmente, ele deixaria uma distorção reconhecível, ou “quebra”, 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 poderosa fonte de trítio gasoso sem janela, um espectrômetro de alta resolução que mede com precisão as energias dos elétrons e um detector que registra as partículas. Desde que iniciou as operações em 2019, o experimento coletou dados de β-decay de trítio com precisão inigualável, buscando especificamente as pequenas desvios esperados de um neutrino estéril.
O Que os Dados Revelam Sobre Neutrinos Estéreis
No novo artigo da Nature, a equipe relata a busca mais sensível de β-decay de trítio para neutrinos estéreis até hoje. 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-decay e alcançaram uma precisão superior a 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 fontes de gálio, que haviam sugerido a existência de um quarto neutrino. Os achados também contradizem completamente o experimento Neutrino-4, que alegou ter encontrado evidências para tal partícula.
A excepcional baixa de fundo do KATRIN significa que quase todos os elétrons detectados se originam do decaimento de trítio, permitindo uma medição muito limpa do espectro de energia. Ao contrário dos experimentos de oscilações, 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 fortes evidências contra a hipótese do neutrino estéril.
Como o KATRIN Complementa Outros Experimentos
“Nosso novo resultado é totalmente complementar a 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 a divisões de massa estéril-ativa abaixo de alguns eV2, o KATRIN explora a faixa de alguns a vários centenas de eV². Juntas, as duas abordagens agora descartam consistentemente neutrinos estéreis leves que se misturariam de maneira significativa com os tipos de neutrinos conhecidos.”
Perspectivas Futuras para 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 a estatística em mais de um fator de seis,” diz a co-porta-voz do KATRIN, Kathrin Valerius (KIT). “Isso nos permitirá ultrapassar os limites da precisão e investigar ângulos de mistura abaixo dos limites atuais.”
Uma atualização está planejada para 2026, quando o detector TRISTAN será adicionado ao experimento. O TRISTAN registrará todo o espectro de β-decay do trítio com estatísticas sem precedentes. Ao contornar o espectrômetro principal e medir diretamente as energias dos elétrons, o TRISTAN será capaz de investigar neutrinos estéreis muito mais pesados. “Esse setup de próxima geração abrirá uma nova janela na faixa de massa 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.
