KATRIN estabelece novo limite para a massa do neutrino

Os isótopos radioactivos de hidrogénio permitiram agora obter a medição mais baixa até hoje para a massa de um neutrino.

Ao analisarem a distribuição de energia dos electrões libertados na desintegração beta do trítio, os físicos concluíram que o limite superior da massa do antineutrino electrónico é de apenas 0,8 eletrão-volts. Em unidades métricas de massa, isto corresponde a 1,6 × 10⁻³⁶ quilogramas - e é muito, muito pequeno em unidades imperiais.

Embora ainda não exista uma medição precisa, este aperto dos limites aproxima-nos da compreensão destas partículas invulgares, do seu papel no Universo e do impacto que podem ter nas teorias actuais da física. O resultado foi alcançado no Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN), na Alemanha.

"A segunda campanha de medição da massa do neutrino do KATRIN, aqui apresentada, atingiu uma sensibilidade inferior a um eletrão-volt", escreveram os investigadores no seu artigo.

"Em conjunto com a primeira campanha, estabelecemos um limite superior melhorado de mν inferior a 0,8 eletrão-volts. Assim, restringimos o intervalo permitido dos modelos de massa de neutrinos quase degenerados e fornecemos informação independente de modelos sobre a massa do neutrino, o que permite testar modelos cosmológicos não convencionais."

Neutrinos: as partículas-fantasma do Universo

Os neutrinos são partículas muito peculiares. Estão entre as partículas subatómicas mais abundantes do Universo e assemelham-se aos electrões, mas não têm carga e possuem uma massa quase nula. Por interagirem tão raramente com a matéria normal, neste preciso momento estão a atravessar o seu corpo milhares de milhões deles.

É por esta razão que são conhecidos como partículas-fantasma, uma característica que também torna a sua detecção extremamente difícil. Existem alguns métodos para os detectar, como os detectores de neutrinos de Cherenkov, mas são abordagens indirectas: captam os efeitos provocados pela passagem dos neutrinos, e não os próprios neutrinos.

Tudo isto faz da medição da massa quase nula destas partículas um desafio particularmente exigente. No entanto, uma medição desta propriedade permitiria aprender muito mais sobre o Universo. Infelizmente, obtê-la é também muito difícil. Não basta pegar numa balança minúscula, colocar nela um neutrino e dar o trabalho por terminado.

KATRIN e a massa do neutrino

Para investigar a massa de um neutrino, o KATRIN tira partido da desintegração beta do trítio, um isótopo radioactivo instável de hidrogénio. No interior da câmara de 70 metros (230 pés), o gás trítio transforma-se em hélio, um electrão e um antineutrino electrónico, enquanto um enorme espectrómetro sensível analisa os produtos resultantes.

Dada a natureza esquiva dos neutrinos, não é possível medi-los directamente. Contudo, os físicos estão bastante seguros de que uma partícula e a sua antipartícula distribuem a massa e a energia de forma equilibrada; por isso, ao medir a energia dos electrões, é possível deduzir a energia do neutrino.

Foi desta forma que a equipa determinou, em 2019, o limite superior de 1 eletrão-volt para a massa do neutrino. Para tornar esse resultado mais rigoroso, os investigadores combinaram o aumento do número de desintegrações de trítio com métodos destinados a reduzir a contaminação causada por outros tipos de desintegração radioactiva, chegando assim ao novo limite superior.

"Este trabalho moroso e complexo foi a única forma de excluir um enviesamento sistemático do nosso resultado devido a processos de distorção", afirmaram os físicos Magnus Schlösser, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, e Susanne Mertens, do Instituto Max Planck de Física, na Alemanha.

"Estamos particularmente orgulhosos da nossa equipa de análise, que aceitou este enorme desafio com grande empenho e foi bem-sucedida."

O resultado assinala a primeira vez que as medições de um neutrino ficaram abaixo do limiar de 1 eletrão-volt. Trata-se de um resultado importante que, apesar de ainda não fornecer uma massa exacta, permitirá aos cientistas aperfeiçoar os modelos físicos do Universo.

Entretanto, a colaboração continuará a tentar refinar as medições da massa do neutrino.

"As medições adicionais da massa do neutrino prosseguirão até ao final de 2024", disseram os investigadores. "Para explorar todo o potencial deste experimento único, aumentaremos progressivamente a estatística dos eventos de sinal e desenvolveremos e instalaremos continuamente actualizações para reduzir ainda mais a taxa de fundo."

Os resultados foram publicados na Nature Physics.