Resultados experimentais (Fermilab). Probabilidade de oscilação dos neutrinos versus distância (em escala logarítmica). Neutrinos do múon (vermelho), Neutrinos do tau (azul), Neutrinos do elétron (verde) e Neutrinos estéril (cinza). – Crédito: American Physical Society/ Carin Cain
Por: Prof. Roberto N. Onody*
Os neutrinos são partículas elementares que interagem através da força gravitacional e da força nuclear fraca. São muito evasivos e de difícil detecção. Eles são produzidos pela interação fraca e estão sempre associados a um lépton carregado: um elétron, um múon ou um tau. Dizemos que há 3 tipos de neutrinos ou 3 sabores (na linguagem da mecânica quântica). Há cerca de duas décadas sabe-se que esses três tipos podem se transformar uns nos outros – a chamada oscilação do neutrino. Essa descoberta levou ao Prêmio Nobel de Física de 2015.
A possibilidade de existir um quarto neutrino, o neutrino estéril, surgiu após os resultados de experimentos realizados no Laboratório Nacional de Los Álamos (LSND) e no Fermilab (Mini Booster Neutrino Experiment, MiniBooNE) 1. Esses experimentos detectaram um excesso de neutrinos do elétron a partir de um feixe de neutrinos do múon. Para reconciliar os dados experimentais com a teoria, foi proposto um quarto neutrino. Eles calcularam que diferença da massa ao quadrado entre o neutrino estéril e do neutrino do elétron, isto é, m2estéril – m2elétron, deveria ser de 1 eV2 (eletronvolt ao quadrado).
O neutrino estéril não interage pela força fraca, mas poderia participar do processo de oscilação dos outros três (ativos) neutrinos e, eventualmente, causar a transformação do neutrino do múon em neutrino do elétron em curtas distâncias.
Se ele existir, o Modelo Padrão (atualmente, nossa melhor teoria para as partículas elementares e suas interações) teria de ser modificado ou estendido. Os neutrinos estéreis seriam também ótimo candidatos para compor a Matéria Escura, com consequências importantes na Cosmologia.
A distância necessária para que um neutrino se transforme em outro tipo de neutrino, depende das energias dos neutrinos envolvidos e da diferença de suas massas ao quadrado.
Recentemente 2, dois enormes grupos internacionais de pesquisa, com mais de 260 cientistas, realizaram experimentos que testaram a existência do neutrino estéril.
O grupo MINOS+ 2 investigou o desaparecimento de neutrinos do múon, produzidos por um acelerador no Fermilab. Com seus detectores posicionados a distâncias entre 1 e 735 km, eles obtiveram a curva de probabilidade de oscilação do neutrino como função da distância3 (veja figura). Vemos que a probabilidade de formação do quarto neutrino é praticamente nula, a não ser a curtas distâncias de uns poucos quilômetros. Por outro lado, a uma distância de cerca de 500 km, a probabilidade de o neutrino do múon ter-se transformado em neutrino do tau é de quase 50%.
Já o grupo Daya Bay 2, na China, acompanhou o desaparecimento de anti -neutrinos do elétron produzidos por seis reatores nucleares, com 8 detetores colocados a distâncias entre 360m e 1,9 km.
Os grupos do MINOS+ e do Daya Bay combinaram, então, seus dados. Seus resultados eliminaram qualquer possibilidade de que a diferença dos quadrados das massas do neutrino estéril e do neutrino do elétron (mass splitting) esteja no intervalo entre 10 – 4 a 10 3 eV2, o que contradiz o valor de 1 eV2, estimado pelos próprios autores que propuseram a existência do neutrino estéril 1.
Conclusão – muito embora a existência do neutrino estéril ainda não possa ser totalmente descartada, sua realidade é bastante improvável.
Referências:
1 A. Aguilar et al. (LSND Collaboration), Phys. Rev. D 64, 112007 (2001) e A. Aguilar-Arevalo et al. (MiniBooNE Collaboration), Phys. Rev. Lett. 110, 161801 (2013).
2 P. Adamson et al, Phys. Rev. Lett. 125, 071801 (2020)
3 V. Niro e P. Machado, Physics 13, 123 (2020)
*Físico, Professor Sênior do IFSC – USP
(Agradecimento: Sr. Rui Sintra da Assessoria de Comunicação)
Assessoria de Comunicação – IFSC/USP
