O experimento internacional KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment (KATRIN), localizado no Karlsruhe Institute of Technology (KIT), quebrou uma importante barreira na física de neutrinos que é relevante tanto para a física de partículas quanto para a cosmologia. Com base em dados publicados na revista Nature Physics, foi obtido um novo limite superior de 0,8 elétron-volt (eV) para a massa do neutrino. Este primeiro avanço para a escala de massa sub-eV de neutrinos por um método de laboratório independente de modelo permite que o KATRIN restrinja a massa desses “pesos leves do universo” com precisão sem precedentes.
Os neutrinos são indiscutivelmente a partícula elementar mais fascinante do nosso universo. Na cosmologia, eles desempenham um papel importante na formação de estruturas de grande escala, enquanto na física de partículas sua massa minúscula, mas diferente de zero, os diferencia, apontando para novos fenômenos físicos além de nossas teorias atuais. Sem uma medição da escala de massa dos neutrinos, nossa compreensão do universo permanecerá incompleta.
Este é o desafio que o experimento internacional KATRIN no Karlsruhe Institute of Technology (KIT) com parceiros de seis países assumiu como a escala mais sensível do mundo para neutrinos. Ele faz uso do decaimento beta do trítio, um isótopo instável de hidrogênio, para determinar a massa do neutrino através da distribuição de energia dos elétrons liberados no processo de decaimento. Isso exige um grande esforço tecnológico: o experimento de 70 metros de comprimento abriga a fonte de trítio mais intensa do mundo, bem como um espectrômetro gigante para medir a energia dos elétrons de decaimento com precisão sem precedentes.
A alta qualidade dos dados após o início das medições científicas em 2019 foi continuamente aprimorada nos últimos dois anos. “KATRIN é um experimento com os mais altos requisitos tecnológicos e agora está funcionando como um relógio perfeito”, entusiasma-se Guido Drexlin (KIT), o líder do projeto e um dos dois porta-vozes do experimento. Christian Weinheimer (Universidade de Münster), o outro co-porta-voz, acrescenta que “o aumento da taxa de sinal e a redução da taxa de fundo foram decisivos para o novo resultado”.
Análise de dados
A análise aprofundada desses dados exigia tudo da equipe de análise internacional liderada por seus dois coordenadores, Susanne Mertens (Instituto Max Planck de Física e TU Munique) e Magnus Schlösser (KIT). Todo e qualquer efeito, por menor que fosse, precisava ser investigado em detalhes. “Só por esse método trabalhoso e intrincado conseguimos excluir um viés sistemático do nosso resultado por distorcer os processos. Estamos particularmente orgulhosos de nossa equipe de análise, que assumiu com sucesso esse enorme desafio com muito empenho”, dizem os dois coordenadores de análise .
Os dados experimentais do primeiro ano de medições e a modelagem baseada em uma massa de neutrinos extremamente pequena combinam perfeitamente: a partir disso, um novo limite superior na massa de neutrinos de 0,8 eV pode ser determinado (Nature Physics, julho de 2021). Esta é a primeira vez que um experimento direto de massa de neutrinos entrou na faixa de massa sub-eV, cosmologicamente e fisicamente importante, onde se suspeita que a escala de massa fundamental dos neutrinos esteja. “A comunidade de física de partículas está animada que a barreira de 1 eV foi quebrada pelo KATRIN”, diz o especialista em neutrinos John Wilkerson (Universidade da Carolina do Norte, presidente do conselho executivo).
Susanne Mertens explica o caminho para o novo recorde: “Nossa equipe do MPP em Munique desenvolveu um novo método de análise para KATRIN que é especialmente otimizado para os requisitos desta medição de alta precisão. Esta estratégia foi usada com sucesso para O meu grupo está altamente motivado: Continuaremos a enfrentar os desafios futuros da análise KATRIN com novas ideias criativas e precisão meticulosa.”
Outras medições devem melhorar a sensibilidade
Os porta-vozes e coordenadores de análise do KATRIN estão muito otimistas em relação ao futuro: “Mais medições da massa de neutrinos continuarão até o final de 2024. Para realizar todo o potencial deste experimento único, não apenas aumentaremos constantemente as estatísticas de eventos de sinal, estamos continuamente desenvolvendo e instalando melhorias para reduzir ainda mais a taxa de fundo.”
O desenvolvimento de um novo sistema de detecção (TRISTAN) desempenha um papel específico nisso, permitindo que o KATRIN a partir de 2025 embarque em uma busca por neutrinos “estéreis” com massas na faixa de quiloelétron-volts, um candidato à misteriosa matéria escura no cosmos que já se manifestou em muitas observações astrofísicas e cosmológicas, mas cuja natureza física-partícula ainda é desconhecida.
Publicado em 15/02/2022 22h42
Artigo original:
Estudo original: