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Traduzido por Salma Saad/ Via MIT News Office
Texto original Jennifer Chu
June 8, 2018
Neutrinos estão em toda parte, e ainda assim sua presença raramente é sentida. Os cientistas presumem há décadas que, por interagirem tão pouco com a matéria, os neutrinos não podem ter massa mensurável. Mas experimentos recentes mostraram que essas partículas “fantasmagóricas” possuem algum peso. Desde então, a caçada foi feita para determinar a massa de um neutrino – uma medição extremamente pequena que poderia ter enormes implicações para nossa compreensão de como o universo evoluiu.
Hoje, um grande experimento se uniu a essa pesquisa fundamental. O Experimento de Neutrino de Trítio de Karlsruhe, ou KATRIN, é um detector massivo baseado na cidade de Karlsruhe, na Alemanha, que foi projetado para medir a massa de um neutrino com uma precisão muito maior do que os experimentos existentes. No coração da KATRIN está um espectrômetro de 200 toneladas, e os cientistas esperam que com o experimento que está sendo lançado hoje possam começar a coletar dados que nos próximos anos lhes darão uma idéia melhor de quão massivos os neutrinos podem ser.
O professor de física Joseph Formaggio faz parte da equipe de cientistas que dará uma primeira olhada nos dados da KATRIN quando eles chegarem. Formaggio e outros do MIT ajudaram a construir parte do aparato do detector e desenvolveram software para simular a trajetória das partículas que passam pelo detector. Seu grupo está trabalhando agora com uma equipe de cientistas de todo o mundo em software para analisar os dados em busca de sinais de massa de neutrinos. O MIT News sentou-se com o Formaggio antes do lançamento do experimento, para um bate-papo sobre o KATRIN e a estrutura monumental construída para procurar um sinal infinitesimal.
P: Como o KATRIN medirá a massa de um neutrino?
KATRIN está abordando uma questão muito antiga, proposta por Enrico Fermi na década de 1930, que é a questão de quanta massa um neutrino tem. Décadas atrás, pensamos que o neutrino tinha que ser sem massa. Então experimentos em oscilações de neutrinos mostraram que não, isso não era verdade – neutrinos na verdade têm uma pequena massa. E agora sabemos que diferentes neutrinos têm diferentes massas uns dos outros. O que não sabemos é quanto pesa qualquer neutrino – a massa absoluta ainda é desconhecida.
KATRIN aborda essa questão observando a conservação de energia: E = mc2. Temos um gás radioativo, neste caso, trítio, que libera energia à medida que se decompõe. Parte dessa energia vai para um neutrino, que voa e nunca mais o vemos. Alguma dessa energia vai para um elétron, e se você medir a energia do elétron com muita precisão, isso indica o quanto o neutrino tirou. E em particular, aquela energia era toda cinética, porque o neutrino estava indo embora na velocidade da luz? Ou tem um pouco de energia de descanso ou massa?
O experimento em si tem cerca de 70 metros de comprimento – quase um campo de futebol, mas não é bem assim. O trítio é injetado em uma extremidade, em um tubo sem janelas, onde há milhões de decaimentos acontecendo por segundo, os quais produzirão elétrons. O gás fica dentro de um imã, e os elétrons, porque estão carregados, vêem esse campo magnético e começam a seguir as linhas do campo magnético para fora da região do gás e entrar em um enorme espectrômetro – um dos maiores vazios do mundo. . O campo magnético é muito fraco no espectrômetro, e as linhas de campo começarão a se espalhar. O espectrômetro é mantido em um potencial elétrico de cerca de 20.000 volts, que age como uma colina: elétrons que têm energia suficiente irão ultrapassar essa colina e sair do outro lado do espectrômetro. Aqueles que não têm energia suficiente são rejeitados.
Depois, há outro conjunto de ímãs no final dessa longa linha de feixes, onde as linhas de campo ficam mais firmes, os elétrons voltam a se concentrar e pousam em um detector que conta apenas elétrons. Esta é uma maneira muito precisa de escanear as energias eletrônicas desta fonte radioativa muito quente. E é isso que nos permite obter a resolução de energia que precisamos, para dizer algo sobre massa de neutrinos.
P: Qual é a estimativa atual para a massa de um neutrino e como você saberá que atingiu uma medida ainda mais precisa?
R: Nós temos uma idéia do que a escala de massa de neutrinos deveria ser. Experiências anteriores nos disseram que está em algum lugar entre 10 millielectronvolts e 2 eléctron-volts. Um elétron, que é a outra partícula mais leve que conhecemos, tem uma massa de cerca de 511.000 elétron-volts. Então, em algum lugar entre 10 meV e 2eV é o nosso playground. Se o neutrino tem massa, como é o nosso experimento? O que fazemos é imaginar o espectro de energias eletrônicas. Se o neutrino tem massa, parece uma torção no nosso espectro. Então procuramos por essa dobra, o que significaria que o neutrino tem tanto energia cinética, que esperamos, como também energia de repouso. Se fosse tudo cinético, então não tem massa e está se movendo na velocidade da luz. Se você observar uma dobra, é como se você tivesse feito um neutrino que parou. As coisas não podem ficar paradas se não tiverem massa. A torção é prova de que você produz apenas alguns neutrinos que estavam parados. Você não os viu diretamente, mas viu que o elétron não absorveu a energia que deveria, e essa energia entrou no neutrino.
P: De que maneira uma massa de neutrinos mais precisa mudaria nossa compreensão do universo?
R: Para outras partículas como o quark top eo elétron, podemos não entender por que eles têm as massas que eles fazem, mas entendemos como eles têm massa. Para o neutrino, essa é uma questão em aberto. Como o neutrino obtém sua massa é desconhecido. A esperança é que, medindo a massa do neutrino, você tenha uma noção melhor de como um neutrino obtém sua massa. Temos bilhões de neutrinos em todo o universo. Se, de repente, eles tiverem uma massa, terão impacto sobre como o universo evoluirá com o tempo. Para os cosmologistas, essa informação será muito útil. Então, há um pouco, o que vai acontecer quando realmente fizermos uma medição? Será que vamos ver algo enorme? Há uma possibilidade de surpresa, e isso pode ser muito empolgante, porque isso significa que realmente não entendemos o que estamos fazendo, e isso geralmente é bom para nós. Este é um longo experimento que vem. Eu me juntei ao experimento quando eu era pós-doc em 2003, e havia pessoas pensando sobre isso antes disso. Demorou muito tempo e é uma incrível maravilha da engenharia. Porque a cada vez, eles precisavam resolver um problema que ainda não tinha solução. Como você constrói um tanque desse tamanho e evacua-o para que fique no vácuo? O tanque está vazio. De ar! E é um enorme tanque, um dos maiores vazios do mundo. Isso é um feito de engenharia. Como você mantém o gás radioativo frio e estável a alguns mililitros? Todas essas coisas realmente exigiram muita engenharia e é um belo experimento. Agora podemos pegar dados e isso será muito empolgante.
Reprinted with permission of MIT News