Anos de medições conflitantes de neutrinos levaram os físicos a propor um “setor escuro” de partículas invisíveis – um que poderia explicar simultaneamente a matéria escura, a intrigante expansão do universo e outros mistérios.
Em 1993, nas profundezas subterrâneas do Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, alguns flashes de luz dentro de um tanque de óleo do tamanho de um ônibus deram início a uma história de detetive que ainda não chegou ao fim.
O Detector de Neutrino Cintilador Líquido (LSND) estava procurando por explosões de radiação criadas por neutrinos, as mais leves e elusivas de todas as partículas elementares conhecidas. “Para nosso espanto, foi isso que vimos”, disse Bill Louis, um dos líderes do experimento.
O problema é que eles viram muitos. Os teóricos postularam que os neutrinos podem oscilar entre os tipos à medida que voam – uma hipótese que explica várias observações astronômicas. O LSND se propôs a testar essa ideia apontando um feixe de neutrinos do múon, um dos três tipos conhecidos, em direção ao tanque de óleo e contando o número de neutrinos do elétron que chegaram lá. Mesmo assim, Louis e sua equipe detectaram muito mais neutrinos de elétrons chegando ao tanque do que a simples teoria das oscilações de neutrinos previa.
Desde então, dezenas de outros experimentos com neutrinos foram construídos, cada um maior que o anterior. Nas montanhas, cavernas de mineração desativadas e no gelo abaixo do Pólo Sul, os físicos ergueram catedrais para essas partículas notoriamente escorregadias. Mas, à medida que esses experimentos sondavam neutrinos de todos os ângulos, eles continuavam produzindo imagens conflitantes de como as partículas se comportavam. “A trama continua se complicando”, disse Louis.
“É uma história muito confusa. Eu o chamo de Jardim dos Caminhos Bifurcados”, disse Carlos Argüelles-Delgado, um físico neutrino da Universidade de Harvard. No conto de Jorge Luis Borges de 1941 com esse título, o tempo se ramifica em um número infinito de futuros possíveis. Com os neutrinos, resultados contraditórios levaram os teóricos por uma variedade de caminhos, sem saber quais dados confiar e quais podem estar levando-os ao erro. “Como em qualquer história de detetive, às vezes você vê pistas e elas o jogam na direção errada”, disse Argüelles-Delgado.
A explicação mais simples da anomalia LSND era a existência de um novo, quarto tipo de neutrino, denominado neutrino estéril, que mistura todos os tipos de neutrino de acordo com novas regras. Os neutrinos estéreis permitiriam que os neutrinos do múon oscilassem mais prontamente em neutrinos do elétron na curta distância até o tanque de óleo.
Mas com o passar do tempo, o neutrino estéril não se encaixou nos resultados de outros experimentos. “Tínhamos nossa teoria de campeão, mas o problema é que em outros lugares ela falha miseravelmente”, disse Argüelles-Delgado. “Estávamos nas profundezas da floresta e precisávamos sair.”
Forçados a refazer seus passos, os físicos têm repensado o que está por trás da confusão de dicas e resultados pela metade. Nos últimos anos, eles desenvolveram novas teorias que são mais complicadas do que o neutrino estéril, mas que, se corretas, revolucionariam completamente a física – resolvendo anomalias nos dados de oscilação de neutrino e outros grandes mistérios da física ao mesmo tempo. Não menos importante, os novos modelos postulam neutrinos adicionais pesados que poderiam ser responsáveis pela matéria escura, a matéria invisível que envolve as galáxias que parece ser quatro vezes mais abundante do que a matéria normal.
Agora, quatro análises divulgadas ontem pelo experimento MicroBooNE no Fermi National Accelerator Laboratory perto de Chicago e outro estudo recente do detector IceCube no Pólo Sul sugerem que essas teorias mais complexas de neutrinos podem estar no caminho certo – embora o futuro continue longe de claro.
“Sinto que há algo no ar”, disse Argüelles-Delgado. “É um ambiente muito tenso que aponta para a descoberta.”
Um Remédio Desesperado
Quando Wolfgang Pauli postulou a existência do neutrino em 1930 para explicar para onde a energia estava desaparecendo durante a decadência radioativa, ele o chamou de “remédio desesperado”. Sua construção teórica não tinha massa ou carga elétrica, fazendo-o duvidar que um experimento pudesse detectá-la. “É algo que nenhum teórico deveria fazer”, escreveu ele em seu diário na época. Mas em 1956, em um experimento não muito diferente do LSND, lá estava o neutrino.
O triunfo logo se transformou em confusão quando os físicos detectaram neutrinos vindos do sol, uma fonte natural das partículas, e encontraram menos da metade do número previsto por modelos teóricos de reações nucleares das estrelas. Na década de 1990, estava claro que os neutrinos estavam se comportando de maneira estranha. Não apenas os neutrinos solares parecem desaparecer misteriosamente, mas também os neutrinos que caem na Terra quando os raios cósmicos colidem com a atmosfera superior.
Uma solução, proposta anteriormente pelo físico italiano Bruno Pontecorvo, era que os neutrinos mudam de forma. Como muitas partículas elementares, eles vêm em três tipos: neutrinos de elétron, múon e tau. Portanto, em vez de um ato de desaparecimento, sugeriu Pontecorvo, os neutrinos podem se transformar entre essas espécies enquanto viajam. Alguns dos neutrinos de elétrons produzidos pelo sol, por exemplo, podem se transformar em neutrinos de múons e, assim, parecem desaparecer. Com o tempo, os teóricos se concentraram em uma descrição de como os neutrinos oscilam entre os tipos, dependendo de sua energia e distância de viagem que corresponde aos dados vindos do sol e do céu.
Mas a ideia de neutrinos que mudam de forma era difícil para muitos físicos engolir. A matemática só funciona se cada uma das três espécies de neutrinos for uma mistura de mecânica quântica de três massas diferentes – em outras palavras, a mudança de forma significa que os neutrinos devem ter massa. Mas o modelo padrão da física de partículas, o conjunto bem testado de equações que descreve as partículas e forças elementares conhecidas, considera inequivocamente os neutrinos sem massa.
O sol e a atmosfera são complicados, então o LSND foi construído com uma fonte de neutrino dedicada para procurar evidências mais definitivas de mudança de forma. Os pesquisadores logo descobriram. “Estávamos recebendo um candidato a cada semana mais ou menos”, disse Louis. Em 1995, o The New York Times publicou uma matéria sobre os neutrinos de mudança de forma do experimento em sua primeira página.
Os críticos do experimento LSND apontaram para fontes de erro nos detectores e possível interferência de fontes naturais de neutrinos. Mesmo os cientistas que apoiaram a ideia de que os neutrinos oscilam e têm massa desconfiavam dos números do LSND, porque a taxa de oscilação inferida ultrapassava a taxa implícita pelos neutrinos solares e atmosféricos. Os dados solares e atmosféricos sugerem que os neutrinos oscilam apenas entre as três espécies conhecidas de neutrinos; adicionar um quarto, o neutrino estéril – assim chamado porque não deve sentir a força que amarra neutrinos de elétron, múon e tau em flertes com átomos, tornando-os detectáveis – se encaixa melhor nos dados do LSND.
Uma série de experimentos definitivos de oscilação de neutrinos no final dos anos 1990 e início dos anos 2000 chamados SNO, Super-K e KamLAND apoiaram fortemente o modelo de oscilação de três neutrinos, levando ao Prêmio Nobel para alguns dos pesquisadores envolvidos. O suposto quarto neutrino estéril espreitava nas sombras.
Os Caçadores de Anomalias
As anomalias geralmente surgem em experimentos e desaparecem em investigações posteriores, de modo que muitos pesquisadores as ignoram a princípio. Mas Janet Conrad, uma “caçadora de anomalias orgulhosa” e professora do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, prospera com essas peculiaridades. “Somos pessoas bagunceiras. Não nos importamos com a bagunça. Na verdade, nós gostamos “, disse ela recentemente no Zoom.
Quando Conrad estava terminando seu doutorado em 1993, a maioria dos físicos de partículas trabalhava em aceleradores, juntando partículas na esperança de conjurar novas entre os destroços. Teorias lindas e abrangentes, como a supersimetria, que prevê um conjunto completo de partículas espelhadas para todas as do Modelo Padrão, estavam em voga; as sutilezas das oscilações de neutrinos, não. Ainda assim, Conrad ficou intrigado com o resultado do LSND e decidiu persegui-lo. “Quero que a natureza fale comigo; Não quero dizer à natureza o que fazer “, disse ela.
No final dos anos 90, Conrad e seus colegas anormais desceram até o detector LSND e retiraram cuidadosamente mais de 1.000 de seus sensores cor de âmbar, limparam o óleo espesso e os instalaram em um novo detector de neutrino – um três esfera de altura localizada no Fermilab que eles chamaram de MiniBooNE. “Tínhamos esteiras de ioga onde você podia deitar no andaime e olhar para cima”, disse ela. “Era como um universo de pequenas luas âmbar. Oh, foi tão lindo. ”
Esta versão aprimorada do LSND coletou dados de 2002 até 2019. Cinco anos depois de seu longo prazo, o MiniBooNE começou a ver uma taxa de oscilação anômala de neutrino semelhante, sugerindo que o resultado do LSND não foi um acaso, e que um neutrino extra leve pode existir afinal.
No entanto, outros experimentos foram iniciados enquanto o MiniBooNE estava em andamento. Cada um explorou diferentes distâncias e energias de viagem de neutrinos para ver como isso influenciou sua mudança de forma. Seus resultados pareciam confirmar o modelo de três neutrinos, contradizendo não apenas o LSND, mas agora também o MiniBooNE.
Morte do Neutrino Estéril
Os caçadores de anomalias chegaram a uma bifurcação no caminho e os sinais apontavam em direções opostas. Mais evidências apoiam a existência de três neutrinos do que quatro. Em seguida, outro golpe para neutrinos estéreis veio do telescópio espacial Planck.
Em 2013, Planck tirou uma foto incrivelmente detalhada do universo como ele apareceu não muito depois do Big Bang, detectando radiação fraca daquela época chamada de fundo de micro-ondas cósmico. A imagem de Planck dessa luz primordial permitiu que cosmologistas testassem suas teorias sobre o início do universo em detalhes radicais.
No início do universo, os neutrinos eram muito energéticos, influenciando fortemente a rapidez com que o universo se expandia. Deduzindo a taxa de expansão dos dados de fundo de micro-ondas cósmicas de Planck, os pesquisadores puderam estimar quantos tipos de neutrinos preencheram o jovem cosmos. Os dados sugerem que existem três tipos. Esta e outras observações cosmológicas “descartaram com bastante firmeza a existência de uma quarta espécie de neutrino”, disse Joachim Kopp, um físico teórico do CERN – pelo menos, descartou o simples, leve e estéril que os teóricos haviam considerado.
Em 2018, todos concordaram que o jogo acabou. Em uma conferência de física de neutrinos em Heidelberg, Alemanha, Michele Maltoni levantou-se em um grande auditório para anunciar a morte do neutrino estéril. “Ele disse: ‘Se você não sabia que tudo acabou, agora deveria saber que acabou'”, lembrou Argüelles-Delgado.
A apresentação de Maltoni foi um alerta para os teóricos dos neutrinos de que eles precisavam de novas ideias. “O caminho para a frente foi quebrado”, disse Argüelles-Delgado, voltando à sua metáfora de Borges. “Então, agora como vamos manobrar?”
Ele e seus colegas começaram a revisitar os pressupostos sobre os quais a ideia de um neutrino estéril foi fundada. “Sempre tivemos essa abordagem de navalha de Occam na física, certo? Começamos com a suposição mais simples, que era uma única partícula nova que simplesmente não faz nada, exceto esse comportamento oscilatório “, disse ele. “Essa foi provavelmente uma suposição boba.”
O Setor Escuro
Nos últimos três anos, os neutrinos físicos têm contemplado cada vez mais a possibilidade de múltiplos neutrinos adicionais, que podem interagir uns com os outros por meio de suas próprias forças secretas. Este “setor escuro” de partículas invisíveis teria complicados inter-relacionamentos semelhantes (mas independentes) daqueles de elétrons, quarks e outras partículas do Modelo Padrão. “É perfeitamente possível que este setor escuro seja rico e complexo”, disse Matheus Hostert, físico teórico do Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Canadá.
Adicionar forças secretas aos modelos pode evitar os obstáculos apresentados pelo telescópio Planck, suprimindo o número de neutrinos que teriam sido produzidos no início do universo. E um setor escuro, com tantos recursos, poderia tapar muitos buracos em nossa compreensão de uma só vez. Desde a descoberta na década de 1990 de que os neutrinos têm massa, os teóricos se perguntam se os neutrinos poderiam ser responsáveis pela enorme quantidade de matéria escura que parece engolfar as galáxias. Eles logo concluíram que os três neutrinos conhecidos não têm nada perto da massa necessária para fazê-lo. Mas se existir uma família maior de neutrinos – incluindo alguns pesados – eles podem.
A ideia de um setor escuro invisível, mas frutífero, não é nova, mas o número desses modelos explodiu. A pesquisa traz as questões díspares das anomalias da matéria escura e dos neutrinos sob o mesmo guarda-chuva. “Houve uma convergência”, disse Argüelles-Delgado.
Um setor escuro rico e complexo poderia oferecer uma solução para o motivo pelo qual o universo atual parece estar se expandindo mais rápido do que o esperado – um fenômeno conhecido como a tensão de Hubble – e porque as galáxias não parecem se agrupar tanto quanto deveriam se a matéria escura é uma partícula única inerte. “Mudar a física da matéria escura aqui realmente teria um impacto sobre esse tipo de tensão cosmológica”, disse Christina Kreisch, astrofísica da Universidade de Princeton.
Os modelos ressoam com ideias mais antigas. Por exemplo, a existência de neutrinos muito pesados foi hipotetizada pela primeira vez décadas atrás para explicar as massas intrigantemente pequenas dos três neutrinos conhecidos. (Em um “mecanismo de gangorra”, as massas dos neutrinos leves e pesados conhecidos poderiam ter uma relação inversa.) E a decadência dos neutrinos pesados momentos após o Big Bang foi sugerida como a possível razão pela qual há muito mais matéria do que a antimatéria no universo. “Muitas pessoas, inclusive eu, estão trabalhando para explorar essas conexões”, disse Kopp.
No início deste ano, Argüelles-Delgado, Conrad e vários colaboradores propuseram um modelo de setor escuro, a ser publicado em breve na Physical Review D, que inclui três neutrinos pesados de diferentes massas. Seu modelo leva em conta os dados LSND e MiniBooNE por meio de uma mistura de um neutrino pesado em decomposição e outros leves oscilantes; também deixa espaço para explicar a origem da massa de neutrino, a assimetria matéria-antimatéria do universo através do mecanismo de gangorra e matéria escura.
Os caçadores de anomalias conceberam o novo modelo contemplando uma falha no experimento MiniBooNE: ele não consegue distinguir entre os sinais criados por neutrinos de elétrons e aqueles produzidos por determinados decaimentos de partículas. Isso abriu a possibilidade de que, além de neutrinos leves oscilando entre os tipos, neutrinos pesados poderiam estar decaindo dentro do detector, explicando sua abundância de sinais.
Novos resultados experimentais se encaixam nessa narrativa. O experimento MicroBooNE do Fermilab, um seguimento do MiniBooNE que foi reconfigurado para corrigir a falha, em breve relatará na Physical Review Letters que os neutrinos estéreis sozinhos não podem explicar a anomalia do MiniBooNE. No entanto, os resultados são consistentes com a possibilidade de que apenas metade dos eventos do MiniBooNE sejam devidos a oscilações de neutrinos. MicroBooNE relatou recentemente que decaimentos de partículas familiares do Modelo Padrão quase certamente não podem explicar o resto dos eventos. A possibilidade de partículas pesadas do setor escuro se decomporem dentro do MiniBooNE será determinada no próximo ano no próximo lançamento do MicroBooNE.
Os físicos também estão trilhando caminhos antigos, comparando seus modelos de setor escuro com os dados existentes. Por exemplo, a equipe por trás do experimento IceCube, uma série de 5.000 detectores embutidos no gelo abaixo do Pólo Sul, desde 2016 publicou uma série de afirmações, cada uma mais confiante do que a anterior, de que não houve nenhum sinal de esterilização neutrinos passando pelo gelo. Mas uma análise postada no início deste mês descobriu que, se os neutrinos estéreis podem se decompor em outras partículas invisíveis, os dados do IceCube realmente favorecem sua existência. A análise completa da equipe ainda não foi publicada, e os pesquisadores enfatizam a necessidade dessa avaliação antes que possam ter certeza.
Por último, análises que consideram todos os experimentos de oscilação de neutrino juntos também encontram suporte para decomposição de neutrinos estéreis.
Afirmações ousadas sobre a presença de grandes quantidades de partículas invisíveis exigem evidências ousadas, e nem todos estão convencidos. “Tenho apostado contra todas as anomalias”, disse Goran Senjanovic, da Ludwig Maximilian University de Munique, um dos criadores do modelo gangorra de massa de neutrino. Em vez de postular mais e mais partículas para explicar surpresas experimentais, Senjanovic disse que devemos ser guiados pela teoria estabelecida “em primeiro lugar”, dando apenas os menores passos além do modelo padrão altamente bem-sucedido.
Mas no Garden of Forking Paths, as presunções de minimalismo e simplicidade muitas vezes se revelaram erradas. O modelo padrão prevê que os neutrinos de elétron, múon e tau não têm massa – exceto que não são. Os teóricos pensaram que se esses neutrinos têm massa, eles devem ter o suficiente para explicar a matéria escura – exceto que não têm. Talvez seja necessária uma extensão muito mais elaborada do Modelo Padrão. Físicos como Conrad enfatizam os benefícios de perseguir anomalias em busca de pistas.
Fora do Labirinto
O desafio agora é como acessar o setor escuro hipotético, visto que está, bem, escuro. A invenção de partículas indetectáveis, aconselhou Pauli, é algo que nenhum teórico deveria fazer. Felizmente, os físicos podem ser capazes de ouvir sussurros do mundo invisível através dos três neutrinos familiares. “O neutrino é essencialmente uma partícula escura”, disse Neal Weiner, físico de partículas da Universidade de Nova York. “Ele tem a capacidade de interagir e se misturar com outras partículas escuras, o que nenhuma das outras partículas no Modelo Padrão pode.”
Experimentos novos e futuros com neutrinos podem abrir um portal para o setor escuro. Seguindo o MicroBooNE, os experimentos SBND e ICARUS do Fermilab irão em breve ligar e sondar as oscilações de neutrinos em várias distâncias e energias, esclarecendo o padrão completo das oscilações. Enquanto isso, o experimento DUNE no Fermilab será sensível a partículas mais pesadas do setor escuro. Observar atentamente os neutrinos expelidos de fontes radioativas, como o lítio-8, em experimentos de “decadência em repouso” oferecerá uma visão alternativa sobre a atual confusão de resultados, disse Conrad.
IceCube também oferece um ponto de vista incomum. O experimento é capaz de detectar neutrinos muito energéticos produzidos quando os raios cósmicos colidem com a atmosfera da Terra. Esses neutrinos podem se espalhar contra as partículas dentro do IceCube e se transformar em partículas exóticas e pesadas, suspeitas de se decomporem dentro do MiniBooNE. Se o IceCube visse esse espalhamento seguido pela decadência do neutrino pesado a alguma distância, essa assinatura de “double bang” “seria uma evidência muito forte de uma nova partícula”, disse Hostert.
Essas possibilidades tornam o setor escuro “não apenas uma história para dormir”, disse Weiner. No entanto, mesmo que o setor escuro exista e os neutrinos familiares atuem como intermediários, não há garantia de que sua ligação seja forte o suficiente para revelar o que está oculto. “É possível que [neutrinos] pesados sejam completamente inacessíveis a qualquer experimento razoável”, disse Josh Spitz, da Universidade de Michigan.
Também permanece plausível que cada anomalia de neutrino que surge, começando com LSND, possa ter sua própria explicação mundana. “Talvez todos eles estejam errados e seja incrivelmente azarado que todos pareçam ter algo a ver um com o outro”, disse Conrad. “Isso seria a natureza sendo muito cruel.”
De sua parte, Argüelles-Delgado está otimista sobre a eventualidade de sair do labirinto. “A ciência segue em estágios e, de repente, algo simplesmente se encaixa”, disse ele. “Estou acumulando pistas e perguntando. Algumas informações são mais confiáveis do que outras; você tem que julgar por si mesmo. ”
Publicado em 29/10/2021 12h28
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