Neutrinos dão pista sobre por que o Universo existe

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/04/2020

O detector de neutrinos Super-Kamiokande é um tanque de 40 metros de altura e 40 metros de diâmetro, preenchido com 50.000 toneladas de água ultrapura e revestido com 13.000 detectores.
[Imagem: Kamioka Observatory/ICRR/The University of Tokyo]

Origem da matéria do Universo

Uma equipe internacional de físicos, trabalhando no detector de neutrinos SuperKamiokande, instalado no Japão, encontrou indícios que podem explicar para onde foi toda a antimatéria do Universo.

O experimento envolve um dos maiores mistérios da Física: Se o modelo do Big Bang está correto, então o Universo deve ter nascido com proporções idênticas de matéria e antimatéria. Como ambas se aniquilam assim que se tocam, tudo o que deveria ter restado seria uma "sopa" de energia, sem matéria. Ocorre que, hoje, 13,6 bilhões de anos depois, não existe virtualmente nenhuma antimatéria, e todo o nosso Universo material está aí para quem quiser ver.

A hipótese levantada pelos físicos para explicar essa incongruência é que matéria e antimatéria devem se comportar de formas diferentes - em outras palavras deve haver uma quebra na simetria do comportamento de uma partícula de matéria e sua correspondente de antimatéria.

Já foram documentadas diferentes quebras de simetria CP (inversão de paridade de conjugação de carga) envolvendo os blocos fundamentais da matéria, os quarks, que formam os prótons e nêutrons, e seus equivalentes de antimatéria, mas esses desvios não conseguem explicar todo o efeito.

E, infelizmente, experimentos recentes não encontraram nada ao comparar o comportamento do hidrogênio e do anti-hidrogênio e ao medir o espectro de luz emitido pela antimatéria.

Neutrino e antineutrino

Os físicos se voltaram então para os neutrinos, partículas do tipo lépton (como o elétron, múon e tau) quase sem massa, mas que estão por toda parte - calcula-se que 50 trilhões de neutrinos atravessem o nosso corpo a cada segundo. Se for encontrada uma quebra de simetria entre neutrinos e antineutrinos então o enigma estaria muito mais próximo de ser desvendado.

Foi justamente isto que a equipe encontrou - ou, mais rigorosamente, a equipe encontrou justamente indícios de que esse pode ser o caso.

À medida que viajam pela Terra, os neutrinos mudam de identidade, oscilando entre diferentes propriedades físicas conhecidas como sabores - a descoberta da oscilação dos neutrinos rendeu o Nobel de Física em 2015 à equipe desse mesmo laboratório SuperKamiokande.

Os novos resultados mostraram uma incompatibilidade na maneira como os neutrinos e os antineutrinos oscilam, o que foi feito registrando os números deles que chegaram ao SuperKamiokande com um sabor diferente daquele com o qual haviam sido criados por um acelerador de prótons a 295 km de distância.

Detecção de um neutrino do elétron (à esquerda) e um antineutrino do elétron (à direita) no Super-Kamiokande. Quando um neutrino ou antineutrino do elétron interage com a água, produz-se um elétron ou um pósitron. Eles emitem um leve anel de luz (chamada luz Cherenkov) que é capturado pelos fotodetectores. A cor nas figuras mostra como os fótons são detectados ao longo do tempo.
[Imagem: T2K Collaboration]

Não é uma descoberta ainda

Os dados sugerem que os neutrinos têm uma probabilidade maior de oscilar, ou mudar de sabor, do que os antineutrinos - essa diferença é expressa por uma quantidade denominada fase de violação da CP.

Se essa fase fosse zero e os neutrinos e antineutrinos se comportassem da mesma maneira, o experimento teria detectado aproximadamente 68 neutrinos de elétron e 20 antineutrinos de elétron. Em vez disso, foram flagrados 90 neutrinos de elétron e 15 antineutrinos de elétron, uma diferença que indica que a fase de violação da CP pode ser tão grande quanto a teoria prevê.

Com tão poucos eventos, não se trata ainda de uma descoberta, mas os indícios coletados são robustos, chegando a um nível de confiança de três sigmas. O nível de confiança descreve o quão improvável é que um resultado experimental seja simplesmente um acaso, devendo chegar a cinco sigmas para que os dados sejam considerados uma "descoberta".

A expectativa agora é pela entrada em operação do observatório de neutrinos Dune, que está sendo construído nos EUA e com início de operação planejada para 2026. Levando em conta o tempo mínimo de coleta de dados que será necessário, estima-se que poderemos ter resultados mais conclusivos sobre a assimetria matéria-antimatéria nos próximos 10 anos.

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