Neutrino pesa menos do que 0,8 elétron-volt

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/02/2022

Detalhe do detector do experimento Katrin, projetado para medir a massa dos neutrinos.
[Imagem: Joachim Wolf/KIT]

Massa do neutrino

O Universo parece estar mergulhado em uma piscina de neutrinos, uma das partículas mais abundantes que se conhece. Meio bilhão deles atravessam seu corpo a cada segundo.

Apesar disso, os cientistas ainda sabem muito pouco sobre os neutrinos porque eles mal interagem com a matéria e, portanto, são difíceis de detectar e estudar. Para se ter uma ideia, não conhecemos sequer sua massa, uma das propriedades mais básicas de qualquer partícula.

E não é por falta de tentativas: A mais recente foi feita pelo experimento Katrin (Karlsruhe Tritium Neutrino), que acaba de anunciar seus resultados.

Apesar da sensibilidade extrema, o experimento não conseguiu pesar um neutrino - as tentativas chegaram até o máximo da sensibilidade do equipamento, que é de 0,8 elétron-volt.

Mas, como os não-físicos sempre comentam com certo ar de maldade, experimentos de física nunca dão errado: Eles apenas estabelecem um novo limite para a medição. E, neste caso, o experimento Katrin estabeleceu que o neutrino deve então pesar menos do que 0,8 eV.

Massa em elétrons-volt

Mas por que não nos referimos à massa do neutrino em unidades de massa, gramas ou quilogramas, por exemplo?

É apenas para facilitar os cálculos, porque a massa de partículas individuais é pequena demais para se falar em kg. Por exemplo, a massa de um elétron é de 9,10938356 x 10^-31 kg.

Por outro lado, você precisará de 511.000 elétrons-volt para tirar um elétron do repouso. Na verdade, se você aplicar 511.000 volts a um elétron estacionário, ele será empurrado pelo campo elétrico, ganhando uma energia cinética igual à massa de dois elétrons estacionários.

É uma conversão direta entre massa e energia, segundo a famosa equação E = mc² de Einstein. E, como nos aceleradores de partículas sempre lidamos com a energia usada para empurrar - ou que é liberada pelas - partículas, fica muito mais simples trazer tudo para a mesma unidade.

É possível fazer facilmente todas as conversões - seria um ótimo exercício de física -, contudo, apenas para resumir, 1 elétron-volt equivale a aproximadamente 1,8 x 10^-36 kg.

O Katrin é provavelmente a balança mais complexa já construída.
[Imagem: M. Aker et al. - 10.1038/s41567-021-01463-1]

Como medir a massa do neutrino

Quando foram idealizados teoricamente, os físicos acreditavam que os neutrinos sequer tivessem massa. Mas isso mudou, com a descoberta de que os neutrinos têm massa sendo premiada com o Nobel de Física de 2015.

Desde então os físicos têm-se dedicado a descobrir quanto pesa um neutrino. Deve de fato ser muito pouco, porque as estimativas indicam que essas partículas subatômicas conseguem atravessar um cubo de chumbo sólido, com 1 ano-luz de aresta, sem se chocar com um único átomo.

Construir uma balança para pesar algo tão leve não é simples. O método preferido hoje deriva de uma proposta que Enrico Fermi fez em 1934, de explorar um processo radioativo chamado decaimento nuclear beta. Nesse decaimento, um nêutron se transforma em um próton, liberando um elétron e um antineutrino. Se o neutrino tiver massa, ele absorverá parte da energia liberada pelo decaimento, limitando a energia máxima do elétron liberado. Este efeito deve modificar o rastro de alta energia do espectro do elétron, uma modificação que, se puder ser medida, indicaria a massa do neutrino.

O Katrin foi projetado para ser o experimento mais sensível desse tipo, empregando a fonte mais intensa do mundo de decaimentos beta do trício (um isótopo pesado de hidrogênio), um espectrômetro gigante com a forma de um balão dirigível e um monte de truques para reduzir sinais de fundo indesejados, gerados por contaminantes radioativos.

Ele foi projetado em 2001, mas só ficou pronto em 2018, realizando sua primeira campanha de medição em 2019. Em apenas quatro semanas de coleta de dados, o Katrin estabeleceu um limite superior de massa do neutrino de 1,1 eV, reduzindo pela metade o teto determinado por medições anteriores. Agora, na segunda rodada de observações, o valor foi reduzido para 0,8 eV.

A equipe já está trabalhando em vários melhoramentos para tentar novamente pesar o neutrino - ou reduzir ainda mais esse limite superior de massa. Quando o Katrin foi projetado, os físicos acreditavam que um neutrino pesaria algo em torno de 1 elétron-volt. Agora, os cálculos mais recentes apontam que o neutrino deve ter algo em torno de 0,2 eV.

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