Os cientistas costumam se referir ao neutrino como a “partícula fantasma”. Os neutrinos foram uma das partículas mais abundantes na origem do universo e assim permanecem até hoje. As reações de fusão no Sol produzem enormes exércitos deles, que caem sobre a Terra todos os dias. Trilhões passam por nossos corpos a cada segundo, depois voam pela Terra como se ela não estivesse lá.
“Embora postulado pela primeira vez há quase um século e detectado pela primeira vez há 65 anos, os neutrinos permanecem envoltos em mistério por causa de sua relutância em interagir com a matéria”, disse Alessandro Lovato, físico nuclear do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE).
Lovato é membro de uma equipe de pesquisa de quatro laboratórios nacionais que construiu um modelo para resolver um dos muitos mistérios sobre os neutrinos – como eles interagem com os núcleos atômicos, sistemas complicados feitos de prótons e nêutrons (“núcleons”) unidos pelo força forte. Esse conhecimento é essencial para desvendar um mistério ainda maior – por que, durante sua jornada através do espaço ou da matéria, os neutrinos se transformam magicamente de um em outro de três tipos ou “sabores” possíveis.
Para estudar essas oscilações, dois conjuntos de experimentos foram realizados no Laboratório Nacional de Aceleração Fermi do DOE (MiniBooNE e NOvA). Nesses experimentos, os cientistas geram um fluxo intenso de neutrinos em um acelerador de partículas e os enviam para detectores de partículas por um longo período de tempo (MiniBooNE) ou quinhentas milhas da fonte (NOvA).
Conhecendo a distribuição original dos sabores de neutrinos, os experimentalistas coletam dados relacionados às interações dos neutrinos com os núcleos atômicos dos detectores. A partir dessas informações, eles podem calcular quaisquer mudanças nos sabores de neutrinos ao longo do tempo ou da distância. No caso dos detectores MiniBooNE e NOvA, os núcleos são do isótopo carbono-12, que possui seis prótons e seis nêutrons.
“Nossa equipe entrou em cena porque esses experimentos exigem um modelo muito preciso das interações dos neutrinos com os núcleos do detector em uma grande faixa de energia”, disse Noemi Rocco, pós-doutorado na divisão de Física da Argonne e no Fermilab. Dada a indefinição dos neutrinos, conseguir uma descrição abrangente dessas reações é um desafio formidável.
O modelo de física nuclear da equipe de interações de neutrinos com um único nucleon e um par deles é o mais preciso até agora. “A nossa é a primeira abordagem para modelar essas interações em um nível microscópico”, disse Rocco. “As abordagens anteriores não eram tão refinadas.”
Uma das descobertas importantes da equipe, com base em cálculos realizados no agora aposentado supercomputador Mira no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), foi que a interação do par de núcleos é crucial para modelar as interações dos neutrinos com os núcleos com precisão. O ALCF é um DOE Office of Science User Facility.
“Quanto maiores os núcleos do detector, maior a probabilidade de os neutrinos interagirem com eles”, disse Lovato. “No futuro, planejamos estender nosso modelo para dados de núcleos maiores, a saber, os de oxigênio e argônio, em apoio aos experimentos planejados no Japão e nos EUA.”
Rocco acrescentou que “Para esses cálculos, contaremos com computadores ALCF ainda mais poderosos, o sistema Theta existente e a próxima máquina exascale, Aurora.”
Os cientistas esperam que, eventualmente, surja um quadro completo das oscilações de sabor tanto dos neutrinos quanto de suas antipartículas, chamadas de “antineutrinos”. Esse conhecimento pode esclarecer por que o universo é construído a partir de matéria em vez de antimatéria – uma das questões fundamentais sobre o universo.
O artigo, intitulado “Ab Initio Study of (vℓ,ℓ?) and (v¯ℓ,ℓ+) Inclusive Scattering em C12: Confronting the MiniBooNE and T2K CCQE Data,” é publicado na Physical Review X. Além de Rocco e Lovato, os autores incluem J. Carlson (Laboratório Nacional de Los Alamos), S. Gandolfi (Laboratório Nacional de Los Alamos) e R. Schiavilla (Old Dominion University / Jefferson Lab).
Publicado em 30/09/2020 11h21
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