O 4º Sabor? Cientistas se aproximam de um novo tipo de neutrino

  • Cameron Merritt
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Eu adoro um bom mistério, quer seja o mordomo quem o fez, quer tenha sido o coronel Mustard na biblioteca com um castiçal.

Mas eu amo mistérios científicos ainda mais.

Recentemente, cientistas fazendo pesquisas no Fermi National Accelerator Laboratory, ou Fermilab, anunciaram uma medição que é um verdadeiro quebra-cabeças. Envolve uma partícula subatômica chamada neutrino, que é o fantasma do microcosmo, capaz de passar pela Terra sem interagir. E isso ANTES de começarmos a falar sobre as coisas estranhas.

A medição recente, realizada por uma colaboração de cientistas chamada MiniBooNE, pode anunciar a possível descoberta de um novo tipo de neutrino que pode ser a fonte da matéria escura - um dos enigmas mais urgentes da astronomia moderna. Mas para entender como tudo se encaixa, você precisa conhecer a história dos neutrinos, que é um conto fascinante com reviravoltas que fariam a cabeça de Agatha Christie girar. [Os 18 maiores mistérios não resolvidos da física]

O físico austríaco Wolfgang Pauli propôs pela primeira vez a existência de neutrinos em 1930. Agora sabemos que os neutrinos interagem apenas por meio do que é chamado sem imaginação de "força fraca", que é a mais fraca das forças que tem impacto em distâncias menores do que átomos. Neutrinos são criados em reações nucleares e em aceleradores de partículas.

Em 1956, uma equipe de físicos liderada pelos americanos Clyde Cowan e Frederick Reines observou as partículas fantasmagóricas pela primeira vez. Por sua descoberta, Reines compartilhou o Prêmio Nobel de Física em 1995. (Cowan morreu antes de o prêmio ser concedido.)

Ao longo das décadas, ficou claro que havia três tipos diferentes de neutrinos, agora chamados de sabores. Cada sabor de neutrino é distinto, como o sorvete napolitano de baunilha, morango e chocolate da sua infância. Os sabores reais dos neutrinos vêm de sua associação com outras partículas subatômicas. Existem o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau, que estão ligados ao elétron, ao múon e ao tau, respectivamente. O elétron é a partícula familiar dos átomos internos, e o múon e o tau são os primos mais grossos e instáveis ​​do elétron.

Cada sabor de neutrino é distinto e nunca os dois (ou três, neste caso) se encontrarão. Ou assim parecia.

Nas décadas de 1960 e 1970, surgiu um mistério ... um enigma de neutrino, por assim dizer. Os pesquisadores americanos Raymond Davis e John Bahcall tentaram calcular e medir a taxa de neutrinos (especificamente neutrinos de elétrons) produzidos no maior reator nuclear ao redor: o sol. Quando a previsão e a medição foram comparadas, eles discordaram. O experimentador Davis encontrou apenas cerca de um terço dos neutrinos de elétrons que o teórico Bahcall previu.

Esse experimento em particular foi incrível de cair o queixo. Davis usou um contêiner do tamanho de uma piscina olímpica cheio de fluido de lavagem a seco padrão para detectar os neutrinos. A ideia era que, quando os neutrinos do sol atingissem os átomos de cloro no fluido de lavagem a seco, esses átomos se transformariam em argônio. Davis esperaria algumas semanas e então tentaria extrair o argônio. Ele esperava algo como 10 átomos de argônio, mas encontrou apenas três. Sim, você leu certo ... apenas três átomos.

Além da dificuldade experimental, o cálculo que Bahcall fez foi desafiador e extremamente sensível à temperatura central do sol. Uma mudança minúscula na temperatura do sol mudou a previsão do número de neutrinos que deveriam ser produzidos.

Outros experimentos confirmaram a discrepância que Bahcall e Davis observaram, mas dada a dificuldade do que eles tentaram fazer, eu tinha certeza de que um deles havia cometido um erro. Tanto o cálculo quanto a medição eram incrivelmente difíceis de realizar. Mas eu estava errado.

Outra discrepância intrigou os pesquisadores. Os neutrinos são produzidos na atmosfera da Terra quando os raios cósmicos do espaço sideral atingem o ar que todos respiramos. Os cientistas sabem com grande confiança que, quando isso acontece, os neutrinos do múon e do elétron são produzidos na proporção de 2 para 1. No entanto, quando esses neutrinos foram medidos, os neutrinos do múon e do elétron foram encontrados na proporção de 1 para 1. Mais uma vez, os neutrinos confundiram os físicos.

O mistério dos neutrinos do sol e dos raios cósmicos do espaço foi resolvido em 1998, quando pesquisadores no Japão usaram um enorme tanque subterrâneo de 50.000 toneladas de água para estudar a proporção de neutrinos de múon e elétron criados na atmosfera 12 milhas acima do tanque , em comparação com a mesma proporção criada no outro lado do planeta, ou cerca de 8.000 milhas de distância. Ao empregar essa abordagem inteligente, eles descobriram que os neutrinos estavam mudando de identidade enquanto viajavam. Por exemplo, no enigma Davis-Bahcall, os neutrinos de elétrons do sol estavam se transformando nos outros dois sabores. [Imagens: dentro dos melhores laboratórios de física do mundo]

Este fenômeno de neutrinos mudando os sabores, bem como a baunilha se transformando em morango ou chocolate, é chamado de oscilação de neutrino. Isso ocorre porque os neutrinos não mudam apenas de identidade e param. Em vez disso, se lhes for dado tempo suficiente, os três tipos de neutrinos trocam constantemente de identidade. A explicação da oscilação do neutrino foi confirmada e esclarecida em 2001 por um experimento conduzido em Sudbury, Ontário.

Se você achou esta história estonteante, estamos apenas começando. Ao longo dos anos, os neutrinos geraram mais surpresas do que uma novela durante a Sweeps Week.

Estabelecido o fenômeno da oscilação de neutrinos, os cientistas poderiam estudá-lo usando aceleradores de partículas. Eles poderiam fazer feixes de neutrinos e caracterizar a rapidez com que eles mudam de um sabor para outro. Na verdade, existe toda uma indústria de oscilação de neutrino, com aceleradores em todo o mundo estudando o fenômeno. O principal laboratório para estudos de neutrinos é o meu próprio Fermilab.

Um quarto sabor?

Um estudo em 2001 conduzido no laboratório de Los Alamos por uma colaboração chamada LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) se destacou. Sua medição não se encaixava na imagem aceita de três sabores diferentes de neutrinos. Para que seus resultados fizessem sentido, eles precisaram criar a hipótese de um quarto tipo de neutrino. E este não era um tipo comum de neutrino. É chamado de "neutrino estéril", o que significa que, ao contrário dos neutrinos comuns, ele não sentiu a força fraca. Mas ele participou da oscilação do neutrino ... a transformação dos sabores do neutrino. E provavelmente era pesado, o que significa que era um candidato ideal para matéria escura.

Essa seria uma observação interessante, mas muitos outros experimentos com neutrinos não concordaram com eles. Na verdade, o resultado do LSND foi um outlier - tão peculiar que geralmente não era usado em meta análises de física de neutrinos.

E agora chegamos à medição recente pelo experimento MiniBooNE no Fermilab. O nome vem de "BOOster Neutrino Experiment". Ele usa um dos aceleradores do Fermilab, chamado Booster, para fazer neutrinos. o “Mini” vem do fato de que, quando foi construído, um maior experimento complementar foi idealizado.

Os cientistas do MiniBooNE descobriram que seus dados realmente apoiavam a medição LSND e, além disso, se eles combinassem seus dados com os dados LSND, a força estatística da medição seria forte o suficiente para reivindicar uma descoberta ... possivelmente de neutrinos estéreis.

Mas então, há o fato de que muitos outros experimentos discordam definitivamente com o experimento LSND (e agora MiniBooNE). Então o que isso quer dizer?

Bem, como dizem, é uma boa pergunta. Pode ser que os pesquisadores do LSND e do MiniBooNE simplesmente tenham encontrado algo que os outros experimentos deixaram passar. Ou pode ser que o LSND e o MiniBooNE tenham feito uma descoberta falsa. Ou pode ser que esses dois aparatos experimentais particulares sejam sensíveis de maneiras que os outros não são. Um parâmetro importante é que a distância entre o local onde os neutrinos foram criados e onde foram detectados era relativamente curta - apenas algumas centenas de metros ou o comprimento dos aparelhos de vários campos de futebol. Os neutrinos demoram a oscilar e, se estiverem se movendo, isso se traduz em distância. Muitos experimentos de oscilações de neutrinos têm detectores localizados a algumas ou muitas centenas de quilômetros de distância. Talvez a oscilação importante ocorra rapidamente, então um detector próximo é crucial.

Para complicar o problema, as colaborações LSND e MiniBooNE, embora separadas por mais de uma década, envolveram alguns dos mesmos indivíduos. Portanto, é possível que eles estejam repetindo o mesmo erro. Ou talvez exibindo o mesmo brilho. É difícil ter certeza.

Então, como resolvemos isso? Como descobrimos quem está certo? Bem, isso é ciência e, na ciência, medição e replicação ganham a discussão.

E, esta é uma boa notícia. Tendo em vista que o Fermilab optou por desenvolver sua capacidade de estudar neutrinos, não um, mas três experimentos diferentes de neutrinos estão em operação ou em construção, com curtas distâncias entre o ponto de criação e detecção dos neutrinos. Um é chamado MicroBooNE (uma versão menor do MiniBooNE e com tecnologia diferente), o outro é ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals), e o terceiro é SBN (Short Baseline Neutrino). Todos esses experimentos são muito superiores ao MiniBooNE e ao LSND em termos de capacidades técnicas e, portanto, os pesquisadores esperam que, na escala de tempo de alguns anos, façam declarações definitivas sobre o assunto dos neutrinos estéreis..

Então, qual será a resposta final? Eu não sei - essa é a questão da pesquisa ... você está completamente confuso até saber. Mas, o que eu sei é que este é um mistério fascinante, com mais do que sua cota de surpresas e pegadinhas. Tenho certeza que mesmo Sherlock Holmes ficaria intrigado.

Originalmente publicado em .

Don Lincoln contribuiu com este artigo para o Live Science's Vozes de especialistas: Op-Ed e Insights.




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