Físicos alcançaram a menor medição da massa de uma partícula fantasma: WebCuriosos

No início deste ano, os isótopos de hidrogénio em decomposição deram-nos a menor medida até agora da massa de um neutrino.

Ao medir a distribuição de energia dos elétrons liberados durante o decaimento beta do trítio, os físicos determinaram que o limite superior para a massa do antineutrino do elétron é de apenas 0,8 elétron-volts.

Isso é 1,6 × 10^–36 quilogramas em massa métrica e muito, muito pequenos em imperial.

Embora ainda não tenhamos um preciso medição, restringi-la nos aproxima da compreensão dessas partículas estranhas, do papel que desempenham no Universo e do impacto que podem ter em nossas atuais teorias da física.

A conquista foi feita no Experimento Karlsruhe Tritium Neutrino (Katrina) na Alemanha.

“A segunda campanha de medição de massa de neutrinos do KATRIN, apresentada aqui, atingiu sensibilidade sub-elétron-volt,” os pesquisadores escreveram em seu artigopublicado em fevereiro de 2022.

“Combinado com a primeira campanha, definimos um limite superior melhorado de mν

Os neutrinos são muito peculiares. Estão entre as partículas subatômicas mais abundantes do Universo, semelhantes aos elétrons, mas sem carga e quase sem massa.

Isto significa que interagem muito raramente com a matéria normal; na verdade, bilhões estão passando pelo seu corpo neste momento.

É por isso que as chamamos de partículas fantasmas. Também os torna incrivelmente difíceis de detectar. Nós temos alguns métodos de detecção – como os detectores de neutrinos de Cherenkov – mas estes são indirectos, captando os efeitos dos neutrinos que passam, em vez dos próprios neutrinos.

Tudo isto significa que medir o massa quase zero dessas partículas é um desafio particularmente difícil.

Mas, se conseguirmos obter uma medição desta propriedade, poderemos aprender muito mais sobre o Universo. Infelizmente, também é muito difícil de fazer. Você não pode simplesmente pegar uma escala minúscula, colocar um neutrino nela e encerrar o dia.

KATRIN aproveita o decaimento beta de um isótopo radioativo instável de hidrogênio chamado trítio para sondar a massa de um neutrino. Dentro da câmara de 70 metros (230 pés), o gás trítio decai em hélio, um elétron e um antineutrino de elétrons, enquanto um espectrômetro enorme e sensível analisa os resultados.

Como os neutrinos são tão fantasmagóricos, não é possível medi-los. Mas os físicos têm quase certeza de que uma partícula e sua antipartícula distribuíram massa e energia uniformemente; portanto, se você medir a energia dos elétrons, poderá derivar a energia do neutrino.

Foi assim que a equipe obteve o limite superior de 1 elétron-volt para a massa do neutrino em 2019.

Para refinar esse resultado, a equipe combinou um aumento no número de decaimentos de trítio com métodos para reduzir a contaminação de outros tipos de decaimento radioativo, resultando em seu limite superior refinado.

“Este trabalho laborioso e intrincado foi a única maneira de excluir um viés sistemático do nosso resultado devido a processos distorcidos”, disseram os físicos Magnus Schlösser do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe e Susanne Mertens do Instituto Max Planck de Física da Alemanha.

“Estamos particularmente orgulhosos da nossa equipe de análise que aceitou este enorme desafio com grande comprometimento e obteve sucesso.”

O resultado marca a primeira vez que as medições de um neutrino caíram abaixo do limite de 1 elétron-volt. É um resultado importante que, embora ainda não seja uma massa exacta, permitirá aos cientistas refinar modelos físicos do Universo.

Enquanto isso, a colaboração continuará fazendo tentativas de refinar as medições da massa do neutrino.

“Outras medições da massa do neutrino continuarão até o final de 2024”, os pesquisadores disseram.

“Para esgotar todo o potencial deste experimento único, aumentaremos constantemente as estatísticas de eventos de sinal e desenvolveremos e instalaremos continuamente atualizações para reduzir ainda mais a taxa de fundo.”

Os resultados foram publicados em Física da Natureza.

Uma versão deste artigo foi publicada pela primeira vez em fevereiro de 2022.