Neutrinos oferecem uma solução para o mistério da existência do universo

Os resultados atualizados do experimento japonês com neutrinos continuam a revelar detalhes da incompatibilidade no comportamento da matéria e da antimatéria

Os neutrinos que passam pela configuração Super Kamiokande criam uma distribuição de cores informativa nas paredes do detector

Se você olhar de cima, poderá confundir um buraco no chão com um enorme poço de elevador. Mas, de fato, leva a um experimento que pode responder à pergunta de por que o assunto não desapareceu, transformando-se em uma nuvem de radiação logo após o Big Bang.

Estou localizado no Complexo de Pesquisa do Japão Proton Accelerator ( J-PARC ), um escritório do governo remoto e bem guardado em Tokai, a cerca de uma hora de trem ao norte de Tóquio. O experimento T2K ( Tokai-to-Kamioka ) em execução aqui produz um feixe de partículas subatômicas, um neutrino. O feixe passa por 295 km de pedra até o detector Super Kamiokande, um poço gigante enterrado 1 km no subsolo e cheio de 50.000 toneladas de água ultrapura. Durante a viagem, alguns neutrinos mudam seu "tipo" de um para outro.

O experimento está em andamento hoje e seus primeiros resultados foram anunciados no ano passado. Os cientistas da T2K estão estudando como os neutrinos mudam de variedade, tentando explicar a predominância da matéria sobre a antimatéria no universo. Durante minha visita, os físicos me explicaram que estão processando novos dados obtidos no ano passado e que os resultados são promissores.

De acordo com o Modelo Padrão da física de partículas, cada partícula tem seu parceiro espelho, que carrega a carga elétrica oposta - uma partícula de antimatéria. Quando partículas de matéria e antimatéria colidem, elas se aniquilam em uma explosão de radiação. No entanto, os cientistas acreditam que durante o Big Bang uma quantidade igual de matéria e antimatéria deve aparecer, o que significaria que tudo deveria desaparecer rapidamente. Mas não desapareceu. Uma pequena fração da matéria primordial sobreviveu e formou o universo conhecido por nós.

Os pesquisadores não sabem por que isso aconteceu. "Deve haver algum tipo de reação de partículas que ocorre de maneira diferente para matéria e antimatéria", diz Morgan Vasco, físico do Imperial College em Londres. Por exemplo, a antimatéria pode decair de uma maneira diferente da matéria. Nesse caso, isso violaria a ideia de invariância da CP , que postula que as leis da física não devem mudar se substituirmos as partículas da matéria por antipartículas (simetria em relação à carga) e espelhá-las (simetria de paridade). A simetria vale para a maioria das partículas, mas não para todas. Partículas subatômicas de quarks violam a simetria da PC, mas os desvios são tão pequenos que não são suficientes para explicar por que a matéria prevalece tanto sobre a antimatéria no Universo.

No ano passado, a colaboração T2K anunciou a primeira evidência de que os neutrinos poderiam violar a invariância do PC, o que poderia explicar por que o universo está cheio de matéria. "Se uma violação da invariância do PC for observada na região dos neutrinos, isso pode explicar facilmente a diferença entre matéria e antimatéria", disse Adrian Beavan, especialista em física de partículas da Universidade Queen Mary de Londres.

Os pesquisadores procuram violações da invariância da PC estudando a diferença no comportamento da matéria e da antimatéria. No caso dos neutrinos, os cientistas do T2K estudam como os neutrinos e os antineutrinos oscilam , ou seja, mudam ao longo do caminho até o sensor Super-K. Em 2016, 32 neutrinos de múon foram trocados por eletrônicos a caminho do Super-K. E quando os pesquisadores enviaram lá os antineutrinos, apenas quatro deles se tornaram eletrônicos.

Os resultados despertaram a comunidade - embora a maioria dos físicos não tenha deixado de apontar que, com uma amostra tão pequena, havia uma probabilidade de 10% de que essa diferença fosse resultado de flutuações aleatórias (para comparação, quando o bóson de Higgs foi descoberto em 2012, a probabilidade de aleatoriedade do sinal era de um milionésimo).

Este ano, os pesquisadores coletaram quase o dobro de dados de neutrinos do que no passado. O Super-K capturou 89 neutrinos de elétrons e esse número excede em muito o limiar de 67 partículas, que deveriam ter aparecido na ausência de violação da invariância da CP. O experimento também encontrou apenas sete antineutrinos eletrônicos, dois a menos do que o esperado.



Até agora, os pesquisadores não anunciaram a descoberta. Devido à quantidade não tão grande de dados, "ainda há 1 em 20 chances de que esse seja um desvio estatístico e não uma violação da invariância do PC", diz Philip Lichfield, físico do Imperial College London. Para que os resultados se tornem realmente significativos, ele acrescenta, o experimento deve atingir três chances em mil, e os pesquisadores esperam superar essa linha em meados da década de 2020.

Mas as melhorias de dados feitas no ano passado, embora modestas, ainda seguem "em uma direção muito interessante", disse Tom Browder, físico da Universidade do Havaí. Dicas de nova física ainda não desapareceram, como seria de esperar se os resultados fossem baixados no caso. Também estão incluídos os resultados de outro experimento, o NOvA, realizado no Fermi National Accelerator Laboratory em um subúrbio de Chicago. No ano passado, ele lançou o primeiro conjunto de dados de neutrinos, e os resultados dos antineutrinos são esperados no próximo verão. E embora esses primeiros resultados sobre a violação da invariância da CP também não sejam estatisticamente significativos, se os resultados dos experimentos NOvA e T2K coincidirem, então "a consistência de todas essas dicas iniciais" será muito intrigante, diz Mark Monsieur, físico da Universidade de Indiana.

A atualização planejada do detector Super-K pode estimular a pesquisa. No próximo verão, a água é bombeada para fora do detector pela primeira vez em uma década e depois reabastecida com água ultrapura. Ele será misturado com sulfato de gadolínio , um sal que deve aumentar significativamente a sensibilidade do dispositivo aos antineutrinos eletrônicos. "A mistura de gadolínio tornará a detecção de interações antineutrino elétron uma tarefa muito fácil", disse Browder. O sal ajudará os pesquisadores a separar interações antineutrino das interações neutrino, o que aumentará sua capacidade de procurar violações de invariância de PC.

"Por enquanto, estamos dispostos a argumentar que a invariância da CP é violada no caso de um neutrino, mas não ficaremos surpresos se não for assim", disse Andre de Guvea, físico da Northeastern University. O Vasco está um pouco mais otimista: "Os resultados do T2K de 2017 ainda não esclareceram nossa compreensão da violação da invariância da CP, mas prometem aumentar a precisão de sua medição no futuro", disse ele. "E talvez o futuro não esteja tão longe quanto poderíamos pensar no ano passado."