Os físicos discutem experimentos que poderiam melhorar as medições laboratoriais da massa da partícula superleve.
Os físicos querem intensificar os seus esforços para pesar os neutrinos, que são talvez as mais misteriosas de todas as partículas elementares.
Atualmente, apenas um experimento no mundo tem a chance de fazer tal medição – o enorme detector Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), em forma de Zeppelin, na Alemanha. Mas investigadores de vários outros laboratórios têm vindo a desenvolver abordagens alternativas e esta semana reuniram-se em Génova, Itália, para comparar notas num workshop chamado NuMass 2024.
Três equipes afirmam ter construído experimentos em pequena escala mostrando que suas técnicas poderiam funcionar. Outro grupo está trabalhando em uma abordagem que poderia ser ainda mais poderosa. Os pesquisadores esperam construir versões ampliadas desses dispositivos que possam eventualmente competir com o KATRIN, ou até mesmo melhorá-lo.
Observações da estrutura cósmica em escalas maiores sugerem que os neutrinos são extremamente leves, com massas de, no máximo, 0,12 elétron-volts – quatro milhões de vezes menores que a massa de um elétron. Se corretas, tais estimativas colocariam a verdadeira massa do neutrino fora do alcance do KATRIN. “Preocupamo-nos que o KATRIN, apesar de ser uma grande experiência, possa não ser capaz de determinar a massa”, diz o físico Matteo Borghesi, da Universidade de Milão-Bicocca, em Itália, que apresentou o progresso da sua equipe numa técnica experimental alternativa no workshop. “Temos que estar preparados.”
Massas minúsculas
Para pesar neutrinos, os físicos usam o decaimento de isótopos radioativos. Os neutrinos produzidos em tais decaimentos escapam sem serem detectados, mas a sua massa pode ser calculada medindo a energia das partículas restantes.
KATRIN utiliza o “decaimento beta” do trítio, um isótopo pesado e radioativo do hidrogênio. Quando o trítio decai, um dos dois nêutrons em seu núcleo é convertido em um próton, ejetando um elétron (também chamado de partícula beta) e um neutrino (ou, para ser mais preciso, uma partícula com a mesma massa chamada antineutrino). O decaimento libera uma quantidade total de energia bem conhecida, e a maior parte dessa energia é levada pelo elétron e pelo neutrino, na forma de energia cinética, bem como na energia aprisionada nas massas das duas partículas. O neutrino pode sair com uma gama de energias possíveis, mas no mínimo deve carregar a quantidade contida na sua massa. O KATRIN pretende estimar esse mínimo medindo toda a gama de energias dos elétrons correspondentes, que pode determinar de acordo com onde os elétrons param na estrutura em forma de Zeppelin.
Até agora, o melhor resultado do KATRIN foi estabelecer um limite superior de 0,8 eV para a massa do neutrino, e a sua melhor sensibilidade possível é de 0,2 eV. Portanto, quando a colaboração KATRIN divulgar os seus resultados finais ainda este ano, só será capaz de fazer uma medição definitiva se a massa estiver entre 0,2 e 0,8 eV. Tal resultado estaria em total desacordo com as estimativas da cosmologia, diz Olga Mena, física teórica de partículas do Instituto de Física de Partículas de Valência, Espanha. Para que a massa do neutrino estivesse na faixa que o KATRIN pode medir, seria necessária uma “física exótica e não trivial”, diz Mena, como forças fundamentais anteriormente desconhecidas que afetam os neutrinos ou mudanças na teoria da gravidade de Einstein.
Captura de elétrons
Os físicos querem desenvolver técnicas que possam, em última análise, aumentar a sensibilidade para massas mais leves, bem como fornecer verificações cruzadas entre experimentos. O workshop NuMass chega num momento interessante para a área, diz a física Loredana Gastaldo, da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, porque algumas destas alternativas amadureceram ao ponto de poderem ser transformadas em experiências completas. Uma opção aproveita o decaimento do hólmio-163, um isótopo radioativo do elemento de terras raras hólmio.
Ao contrário do trítio, o hólmio-163 não sofre decaimento beta. Em vez disso, um dos eletrões do átomo é “capturado” por um protão no seu núcleo. Isso converte o próton em um nêutron, liberando um neutrino e fótons. O elétron capturado deixa uma lacuna na configuração dos elétrons do átomo, e os outros elétrons se reorganizam rapidamente, liberando energia. Se o átomo de hólmio original fosse incorporado num material, toda essa energia permaneceria presa, produzindo uma pequena quantidade de calor que pode ser medida com um detector suficientemente sensível.
Até agora, o melhor resultado do KATRIN foi estabelecer um limite superior de 0,8 eV para a massa do neutrino, e sua melhor sensibilidade possível é de 0,2 eV. Portanto, quando a colaboração KATRIN divulgar os seus resultados finais ainda este ano, só será capaz de fazer uma medição definitiva se a massa estiver entre 0,2 e 0,8 eV. Tal resultado estaria em total desacordo com as estimativas da cosmologia, diz Olga Mena, física teórica de partículas do Instituto de Física de Partículas de Valência, Espanha. Para que a massa do neutrino estivesse na faixa que o KATRIN pode medir, seria necessária uma “física específica e não trivial”, diz Mena, como forças fundamentais anteriormente desconhecidas que abordam os neutrinos ou mudanças na teoria da gravidade de Einstein.
Captura de elétrons
Os estudos desejam desenvolver técnicas que possam, em última análise, aumentar a sensibilidade para massas mais leves, bem como fornecer verificações cruzadas entre experimentos. O workshop NuMass chega num momento interessante para a área, diz a física Loredana Gastaldo, da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, porque algumas destas alternativas evoluíram ao ponto de poderem ser transformadas em experiências completas. Uma opção de aproveitamento do decaimento do hólmio-163, um isótopo radioativo do elemento de terras raras hólmio.
Ao contrário do trítio, o hólmio-163 não sofre decaimento beta. Em vez disso, um dos eletrões do átomo é “capturado” por um protão no seu núcleo. Isso converte o próton em um nêutron, liberando um neutrino e fótons. O elétron capturado deixa uma lacuna na configuração dos elétrons do átomo, e os outros elétrons se reorganizam rapidamente, liberando energia. Se o átomo de hólmio original fosse incorporado num material, toda essa energia permaneceria presa, produzindo uma pequena quantidade de calor que pode ser medida com um detector suficientemente sensível.
O físico do MIT Joseph Formaggio, porta-voz do Projeto 8, diz que espera um dia construir uma versão em grande escala do experimento que possa reduzir a sensibilidade para 0,04 eV – pequena o suficiente para superar os limites rigorosos dos experimentos cosmológicos.
Ainda mais adiante, um experimento proposto chamado PTOLEMY planeja usar trítio sólido, em vez de gasoso, ligado a filmes de um material de carbono atomicamente fino chamado grafeno. Isso permitiria aos pesquisadores embalar muito mais trítio e obter um número maior de emissões radioativas.
Por enquanto, a comunidade aguarda ansiosamente os resultados finais do KATRIN, diz Borghesi. Mesmo depois que o experimento atingir os limites de sua sensibilidade de projeto, os pesquisadores envolvidos planejam prosseguir e atualizá-lo. Magnus Schlösser, físico do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, diz que a sua principal mensagem no workshop foi que “o KATRIN não fechará as portas após a campanha atual”.
Publicado em 07/03/2024 20h47
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