Pela primeira vez, neutrinos foram detectados em um experimento de colisor: WebCuriosos

O fantasma, finalmente, está na máquina. No início deste ano, pela primeira vez, os cientistas detectaram neutrinos criados num colisor de partículas.

Essas partículas subatômicas abundantes, porém enigmáticas, estão tão distantes do resto da matéria que deslizam através dela como espectros, o que lhes valeu o apelido de “partículas fantasmas”.

Os investigadores disseram que este trabalho representa a primeira observação direta de neutrinos do colisor e nos ajudaria a compreender como estas partículas se formam, quais são as suas propriedades e o seu papel na evolução do Universo.

Os resultados, alcançados usando o detector FASERnu no Large Hadron Collider, foram apresentados na 57ª conferência Rencontres de Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories na Itália em março de 2023.

“Descobrimos neutrinos de uma fonte totalmente nova – aceleradores de partículas – onde dois feixes de partículas se chocam com energia extremamente alta.” disse o físico de partículas Jonathan Feng da Universidade da Califórnia Irvine na época.

Agora, dois artigos revisados ​​por pares (aqui e aqui) finalmente publicaram sobre a detecção, tornando o tudo muito mais oficial e emocionante.

Os neutrinos estão entre as partículas subatômicas mais abundantes do Universo, perdendo apenas para os fótons. Mas não têm carga eléctrica, a sua massa é quase nula e mal interagem com outras partículas que encontram. Centenas de bilhões de neutrinos estão fluindo pelo seu corpo neste momento.

Os neutrinos são produzidos em circunstâncias energéticas, como a fusão nuclear que ocorre dentro das estrelas ou explosões de supernovas. E embora possamos não notá-los no dia-a-dia, os físicos acreditam que a sua massa – por mais pequena que seja – provavelmente afecta a gravidade do Universo (embora os neutrinos tenham sido praticamente descartado como matéria escura).

Embora a sua interação com a matéria seja pequena, não é completamente inexistente; de vez em quando, um neutrino cósmico colide com outra partícula, produzindo uma explosão de luz muito fraca.

Detectores subterrâneos, isolados de outras fontes de radiação, podem detectar essas explosões. Cubo de Gelo na Antártica, Super Kamiokande no Japão, e MiniBooNE no Fermilab, em Illinois, existem três desses detectores.

Os neutrinos produzidos em aceleradores de partículas, no entanto, têm sido procurados há muito tempo pelos físicos porque as altas energias envolvidas não são tão bem estudadas quanto os neutrinos de baixa energia.

“Eles podem nos contar sobre o espaço profundo de maneiras que não conseguiríamos aprender de outra forma”, diz o físico de partículas Jamie Boyd, do CERN. “Esses neutrinos de altíssima energia no LHC são importantes para a compreensão de observações realmente interessantes em astrofísica de partículas.”

FASERnu é um detector de emulsão consistindo de placas de tungstênio com espessura milimétrica alternadas com camadas de filme de emulsão. O tungstênio foi escolhido devido à sua alta densidade, o que aumenta a probabilidade de interação de neutrinos; o detector consiste em 730 filmes de emulsão e uma massa total de tungstênio de cerca de 1 tonelada.

Durante experimentos com partículas no LHC, os neutrinos podem colidir com núcleos nas placas de tungstênio, produzindo partículas que deixam rastros nas camadas de emulsão, um pouco como a forma como a radiação ionizante deixa rastros em um câmara de nuvens.

Essas placas precisam ser reveladas, como um filme fotográfico, antes que os físicos possam analisar os rastros das partículas para descobrir o que as produziu.

Seis candidatos a neutrinos foram identificados e publicados em 2021. Agora, os investigadores confirmaram a sua descoberta, utilizando dados da terceira execução do LHC atualizado que começou no ano passado, com um nível de significância de 16 sigmas.

Isso significa que a probabilidade de os sinais terem sido produzidos aleatoriamente é tão baixa que chega a ser quase nula; um nível de significância de 5 sigma é suficiente para ser qualificado como uma descoberta na física de partículas.

A equipe FASER ainda está trabalhando arduamente na análise dos dados coletados pelo detector e parece provável que ocorrerão muito mais detecções de neutrinos. Espera-se que a 3ª execução do LHC continue até 2026e a recolha e análise de dados estão em curso.

Em 2021, o físico David Casper, da UC Irvine, projetou que a corrida produziria cerca de 10.000 interações de neutrinos, o que significa que mal arranhamos a superfície do que o FASERnu tem a oferecer.

“Os neutrinos são as únicas partículas conhecidas que as experiências muito maiores no Grande Colisor de Hádrons são incapazes de detectar diretamente”, ele diz“portanto, a observação bem-sucedida do FASER significa que todo o potencial físico do colisor está finalmente sendo explorado.”

Os resultados da equipe foram publicados em Cartas de revisão física aqui e aqui.

Uma versão deste artigo foi publicada pela primeira vez em março de 2023.