Neutrinos podem ser a chave para finalmente resolver um mistério das origens de nosso universo dominado pela matéria, e os preparativos para dois grandes experimentos de bilhões de dólares estão em andamento para revelar os segredos das partículas. Agora, uma equipe de físicos nucleares recorreu ao humilde elétron para fornecer uma visão de como esses experimentos podem se preparar melhor para capturar informações críticas. Sua pesquisa, que foi realizada no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA e recentemente publicada na Nature, revela que grandes atualizações nos modelos de neutrino são necessárias para que os experimentos atinjam resultados de alta precisão.
Os neutrinos são onipresentes, gerados em grande número por estrelas em todo o nosso universo. Embora predominantes, essas partículas tímidas raramente interagem com a matéria, tornando-as muito difíceis de estudar.
?Existe esse fenômeno de neutrinos mudando de um tipo para outro, e esse fenômeno é chamado de oscilação de neutrinos. É interessante estudar esse fenômeno, porque não é bem compreendido?, disse Mariana Khachatryan, co-autora do estudo que era uma estudante de pós-graduação na Old Dominion University no grupo de pesquisa do professor e Eminent Scholar Larry Weinstein quando ela contribuiu para a pesquisa. Ela agora é pós-doutoranda associada à pesquisa na Florida International University.
Uma maneira de estudar a oscilação dos neutrinos é construir detectores gigantescos e ultrassensíveis para medir neutrinos no subsolo. Os detectores normalmente contêm materiais densos com núcleos grandes, então os neutrinos são mais propensos a interagir com eles. Essas interações desencadeiam uma cascata de outras partículas que são registradas pelos detectores. Os físicos podem usar esses dados para extrair informações sobre os neutrinos.
“A maneira que os neutrinos físicos estão fazendo isso é medindo todas as partículas que saem da interação dos neutrinos com os núcleos e reconstruindo a energia do neutrino que chega para aprender mais sobre o neutrino, suas oscilações e medi-las com muita, muita precisão”, explicou Adi Ashkenazi. Ashkenazi é o autor de contato do estudo que trabalhou neste projeto como bolsista de pesquisa no grupo de pesquisa do professor Or Hen no Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Ela agora é professora sênior da Universidade de Tel Aviv.
“Os detectores são feitos de núcleos pesados e as interações dos neutrinos com esses núcleos são, na verdade, interações muito complicadas”, disse Ashkenazi. “Esses métodos de reconstrução de energia de neutrino ainda são muito desafiadores e é nosso trabalho melhorar os modelos que usamos para descrevê-los.”
Esses métodos incluem modelar as interações com uma simulação teórica chamada GENIE, permitindo aos físicos inferir as energias dos neutrinos que chegam. GENIE é um amálgama de muitos modelos em que cada um ajuda os físicos a reproduzir certos aspectos das interações entre neutrinos e núcleos. Visto que tão pouco se sabe sobre os neutrinos, é difícil testar diretamente o GENIE para garantir que produzirá resultados precisos e de alta precisão a partir dos novos dados que serão fornecidos por futuros experimentos de neutrinos, como o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) ou Hyper-Kamiokande.
Para testar o GENIE, a equipe se voltou para uma partícula humilde sobre a qual os físicos nucleares sabem muito mais: o elétron.
“Isso explora as semelhanças entre elétrons e neutrinos. Estamos usando estudos de elétrons para validar modelos de interação neutrino-núcleo”, disse Khachatryan.
Neutrinos e elétrons têm muitas coisas em comum. Ambos pertencem à família de partículas subatômicas chamada léptons, portanto, ambos são partículas elementares que não são afetadas pela força forte.
Neste estudo, a equipe usou uma versão de espalhamento de elétrons do GENIE, chamada de e-GENIE, para testar os mesmos algoritmos de reconstrução de energia de entrada que os pesquisadores de neutrinos usarão. Em vez de usar neutrinos, eles usaram resultados recentes de elétrons.
“Os elétrons foram estudados há anos e os feixes dos elétrons têm energias muito precisas”, disse Ashkenazi. “Conhecemos suas energias. E quando estamos tentando reconstruir essa energia que chega, podemos comparar com o que sabemos. Podemos testar o quão bem nossos métodos funcionam para várias energias, o que é algo que você não pode fazer com neutrinos.”
Os dados de entrada para o estudo vieram de experimentos conduzidos com o detector CLAS no Continuous Electron Beam Accelerator Facility do Jefferson Lab, um usuário do DOE. O CEBAF é o acelerador de elétrons mais avançado do mundo para sondar a natureza da matéria. A equipe usou dados que refletiam diretamente o caso mais simples a ser estudado em experimentos de neutrinos: interações que produziram um elétron e um próton (vs. um múon e um próton) a partir de núcleos de hélio, carbono e ferro. Esses núcleos são semelhantes aos materiais usados em detectores de experimentos de neutrinos.
Além disso, o grupo trabalhou para garantir que a versão eletrônica do GENIE fosse o mais paralela possível à versão neutrino.
“Usamos exatamente a mesma simulação usada por experimentos com neutrinos e usamos as mesmas correções”, explicou Afroditi Papadopoulou, co-autor do estudo e aluno de pós-graduação do MIT que também faz parte do grupo de pesquisa de Hen. “Se o modelo não funcionar para os elétrons, de que estamos falando do caso mais simplificado, nunca funcionará para os neutrinos.”
Mesmo neste caso mais simples, a modelagem precisa é crucial, porque os dados brutos das interações elétron-núcleo normalmente se reconstroem para a energia do feixe de elétrons de entrada correta em menos da metade do tempo. Um bom modelo pode explicar esse efeito e corrigir os dados.
No entanto, quando o GENIE foi usado para modelar esses eventos de dados, o desempenho foi ainda pior.
“Isso pode influenciar os resultados da oscilação do neutrino. Nossas simulações devem ser capazes de reproduzir nossos dados de elétrons com suas energias de feixe conhecidas antes de podermos confiar que eles serão precisos em experimentos com neutrinos”, disse Papadopoulou.
Khachatryan concordou.
“O resultado é, na verdade, apontar que há aspectos desses métodos e modelos de reconstrução de energia que precisam ser melhorados”, disse Khachatryan. “Também mostra um caminho para alcançar isso em experimentos futuros.”
A próxima etapa desta pesquisa é testar núcleos-alvo específicos de interesse para pesquisadores de neutrinos e em um espectro mais amplo de energias eletrônicas de entrada. Ter esses resultados específicos para comparação direta ajudará os pesquisadores de neutrinos no ajuste fino de seus modelos.
De acordo com a equipe de estudo, o objetivo é obter um amplo acordo entre os dados e os modelos, o que ajudará a garantir que o DUNE e o Hyper-Kamiokande possam alcançar os resultados de alta precisão esperados.
Publicado em 25/11/2021 11h52
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