Cientistas calculam a massa do neutrino mais leve

Como se pesa um fantasma? Se for cosmólogo, pode recorrer… ao Universo. Ao combinar enormes conjuntos de dados cosmológicos com informação de aceleradores de partículas, obtém-se, ao que parece, uma balança bastante eficaz para medir a massa de um neutrino - também conhecido como a «partícula fantasma».

Foi desta forma que uma equipa de cientistas conseguiu, pela primeira vez, estabelecer um limite superior para a massa do mais leve dos três tipos distintos de neutrino.

Neutrinos: as partículas fantasma

Os neutrinos são pequenas partículas peculiares. Estão entre as partículas subatómicas mais abundantes do Universo e assemelham-se aos eletrões, mas não têm carga e possuem uma massa quase nula. Por isso, interagem muito raramente com a matéria comum; aliás, neste preciso momento, milhares de milhões atravessam o seu corpo.

É por essa razão que receberam a designação de partículas fantasma. A mesma característica torna-os extremamente difíceis de detetar. Existem alguns métodos de deteção - como os detetores de neutrinos de Cherenkov -, mas são indiretos: registam os efeitos produzidos pelos neutrinos em passagem, e não os próprios neutrinos.

Consequentemente, medir a massa quase zero destas partículas é um desafio particularmente exigente.

«Usámos informação proveniente de diversas fontes, incluindo telescópios espaciais e terrestres que observam a primeira luz do Universo - a radiação cósmica de fundo em micro-ondas -, estrelas em explosão, o maior mapa tridimensional de galáxias do Universo, aceleradores de partículas, reatores nucleares e muito mais», afirmou o cosmólogo Arthur Loureiro, da University College London, no Reino Unido.

«Como os neutrinos são abundantes, mas minúsculos e difíceis de captar, precisámos de todos os conhecimentos disponíveis para calcular a sua massa, e o nosso método poderá ser aplicado a outras grandes questões que intrigam tanto cosmólogos como físicos de partículas.»

Porque é difícil determinar a massa do neutrino

Sabe-se que os neutrinos têm massa porque existem em três tipos, ou «sabores»: eletrão, muão e tau. Contudo, não se trata simplesmente de três entidades separadas; as partículas oscilam, na verdade, entre estes sabores - e continua a ser um mistério qual dos sabores corresponde a cada massa.

«Os três sabores podem ser comparados a um gelado com uma bola que contém morango, chocolate e baunilha», explicou Loureiro.

«Os três sabores estão sempre presentes, mas em proporções diferentes, e a alteração dessa proporção - bem como o comportamento estranho da partícula - só pode ser explicada pelo facto de os neutrinos terem massa.»

Anteriormente, medições cosmológicas já tinham permitido definir limites superiores para a massa combinada dos três neutrinos. É possível utilizar dados sobre o Universo porque a massa dos neutrinos pode, de facto, alterar alguns dos observáveis cosmológicos.

Assim, depois de calculada a densidade de neutrinos, essa informação pode ser usada para fixar um limite superior para o efeito coletivo que os neutrinos produzem.

Dados cosmológicos e o supercomputador Grace

Desta vez, os investigadores foram mais longe e utilizaram os dados recolhidos como enquadramento para modelar matematicamente a massa dos neutrinos. Esse modelo foi introduzido num poderoso supercomputador chamado Grace, que realizou os cálculos.

«Usámos mais de meio milhão de horas de computação para processar os dados; isto equivale a quase 60 anos num único processador», declarou o cosmólogo Andrei Cuceu, da University College London.

Mas Grace conseguiu fazê-lo: o supercomputador devolveu uma massa de 0.086 eletrões-volt para o mais leve dos três neutrinos, com um limite inferior de zero, ou cerca de 1.5 × 10^-37 quilogramas. A equipa calculou também uma massa conjunta de 0.26 eletrões-volt para os três neutrinos. Ambos os resultados têm um intervalo de confiança de 95 por cento.

Para enquadramento, um eletrão em repouso tem uma massa de 511,000 eletrões-volt, ou 9.109 10^-31 quilogramas.

Ainda não existem restrições para as outras duas massas, nem foi estabelecida a correspondência entre essas massas e os sabores dos neutrinos. Mantém-se igualmente alguma incerteza quanto à taxa de expansão do Universo, uma questão que os cosmólogos procuram resolver. Ainda assim, trata-se de um avanço notável.

«É impressionante que o agrupamento de galáxias em escalas gigantescas nos possa informar sobre a massa do neutrino mais leve, um resultado de importância fundamental para a física», afirmou o astrónomo Ofer Lahav, da University College London.

«Este novo estudo demonstra que estamos no caminho para medir efetivamente as massas dos neutrinos com a próxima geração de grandes levantamentos espectroscópicos de galáxias, como o DESI, o Euclid e outros.»

A investigação deverá ser publicada na Physical Review Letters e está disponível no arXiv.