Dois experimentos envolvendo pesquisadores imperiais criaram a medição mais precisa do mundo da diferença entre a massa de dois tipos de neutrinos.

As leis atuais da física não explicam por que a matéria persiste sobre a antimatéria – por que o universo é feito de "coisas". Os cientistas acreditam que quantidades iguais de matéria e antimatéria foram criadas no início do universo, mas isso significaria que elas deveriam ter se eliminado mutuamente, aniquilando o universo em seu início.

Em vez disso, os físicos sugerem que deve haver diferenças na maneira como a matéria e a antimatéria se comportam, o que explica por que a matéria persistiu e agora domina o universo. Cada partícula de matéria tem um equivalente de antimatéria, e os neutrinos não são diferentes, com um equivalente de antimatéria chamado antineutrinos.

Agora, pesquisadores trabalharam juntos para combinar dados de dois experimentos diferentes, T2K (Tokai para Kamioka) e NOvA (NuMI Off-Axis ?e Appearance). Eles encontraram evidências pela primeira vez de que, em uma das duas maneiras pelas quais as massas dos neutrinos podem ser ordenadas, os neutrinos de matéria e antimatéria se comportam de maneira diferente.

O estudo foi publicado hoje na Nature .

Pesquisadores do Imperial College London estão envolvidos neste trabalho de sete anos desde o primeiro dia, e a universidade é única por ter pessoas trabalhando neste resultado tanto do T2K quanto do NOvA (veja o quadro à direita).

O T2K é um experimento de neutrinos projetado para investigar como os neutrinos mudam de um sabor para outro à medida que viajam – conhecido como oscilação de neutrinos. Ele é alimentado pela instalação de física nuclear J-PARC, localizada na costa leste do Japão. Um feixe intenso de neutrinos de múons é gerado no local do J-PARC e direcionado através do país até o detector de neutrinos Super-Kamiokande, nas montanhas do oeste do Japão.

O feixe é medido uma vez antes de deixar o sítio J-PARC, usando o detector próximo ND280, e novamente no Super-K. A mudança na intensidade e composição medidas do feixe é usada para fornecer informações sobre as propriedades dos neutrinos.

Patrick Dunne, colíder do grupo de trabalho para o T2K, afirmou: “Trabalhar em conjunto nos permitiu tornar a medição mais precisa do mundo da diferença de massa entre os sabores dos neutrinos um dos poucos parâmetros que regem nossa teoria atual sobre o comportamento das partículas fundamentais. Não apenas fizemos isso, como também esclarecemos como esse fenômeno das oscilações dos neutrinos pode estar ligado ao motivo pelo qual o universo contém matéria e não uma mistura igual de matéria e antimatéria, o que é uma das maiores questões em aberto na física atual.”

O NOvA é gerenciado pelo Laboratório Nacional do Acelerador Fermi, em Illinois, nos Estados Unidos. Ele gera um feixe de neutrinos que é enviado a 800 quilômetros de distância para um detector de 14.000 toneladas em Ash River, Minnesota. Cientistas criaram o feixe de neutrinos NuMI (Neutrinos no Injetor Principal) disparando prótons do Injetor Principal do Fermilab contra um alvo de grafite. O feixe de neutrinos é direcionado para baixo em um ângulo de 3,3°. Embora o feixe comece a 45,72 metros abaixo do solo no Fermilab, ele passa até 9,6 quilômetros abaixo da superfície em direção a Ash River. As partículas completam a viagem em menos de três milissegundos.

Como os neutrinos raramente interagem com outra matéria, eles viajam diretamente pela Terra sem um túnel. Cientistas detectam uma pequena fração dos neutrinos em um detector próximo de 300 toneladas métricas no Fermilab e no detector distante muito maior em Minnesota, em busca de sinais de que os neutrinos estão mudando de um tipo para outro durante sua viagem.

Ambos os experimentos podem executar essa configuração usando neutrinos ou seus equivalentes de antimatéria, os antineutrinos. Como operam em distâncias e energias diferentes, suas sensibilidades às propriedades dos neutrinos diferem e se complementam.

Linda Cremonesi, Professora Associada em Física de Partículas, comentou sobre os resultados: “Discutimos essa análise conjunta pela primeira vez há mais de oito anos. A Covid causou alguns atrasos, mas, ao longo desses anos, as duas colaborações desenvolveram um entendimento mais profundo das pesquisas uma da outra e estabeleceram uma parceria sólida. Estamos muito satisfeitos com este primeiro resultado conjunto e, pessoalmente, aguardo ansiosamente nossas futuras análises conjuntas.”

Antes deste trabalho, acreditava-se que os resultados dos dois experimentos mais precisos de oscilação de neutrinos de linha de base longa, T2K e NOvA, poderiam estar em tensão. Trabalhar em conjunto e utilizar todas as capacidades de ambos os experimentos, combinados em uma análise consistente, confirmou que os dados não estão em tensão, e os pesquisadores podem, portanto, usar ambos em conjunto para ampliar nosso conhecimento sobre oscilações de neutrinos.

Os dois experimentos concordaram em continuar essa colaboração e estão trabalhando em uma análise atualizada com dados adicionais e análises mais avançadas.

Num futuro próximo, a Imperial está trabalhando nos experimentos sucessores do T2K e do NOvA, o Hyper-Kamiokande e o DUNE, que irão definitivamente investigar as evidências abertas por este trabalho.