Nova experiência aproxima medição precisa da massa dos neutrinos

A massa em repouso dos enigmáticos neutrinos é uma das grandezas mais procuradas da física de partículas. Graças a uma nova experiência liderada por investigadores do Instituto Max Planck de Física Nuclear, na Alemanha, os cientistas estão mais perto de a determinar com precisão.

Se a massa dos neutrinos fosse conhecida, poderia abrir caminho a uma física que ultrapassa o Modelo Padrão da física de partículas, que descreve todas as forças e partículas elementares conhecidas no Universo.

Dizer que os neutrinos são estranhos é minimizar a questão. Em tempos, pensou-se que não tinham massa, mas é agora evidente que esta partícula quase inexistente reúne três tipos numa só, cujas identidades oscilam numa curiosa indefinição quântica à medida que atravessam o espaço. Esta identidade intermitente indica a existência de massa, também ela sob diferentes formas e distribuída pela aparência mutável do neutrino.

Por serem tão leves e invulgares, os neutrinos poderão não obedecer às mesmas regras das restantes partículas. Somar com exactidão as suas massas incrivelmente pequenas e difusas poderá até ajudar a confirmar ou a excluir novos modelos da física de partículas.

Como se mede a massa dos neutrinos

No entanto, os físicos não podem simplesmente pesar conjuntos de neutrinos imóveis, como uvas pousadas numa balança. Só conseguem confirmar a presença destas partículas subatómicas observando as suas interacções com outras partículas ou medindo os produtos do seu decaimento. Uma partícula pode existir apenas durante um instante, mas, nesse breve período, deixa uma marca ou vestígio a partir do qual os físicos podem deduzir a sua massa.

Sem carga e com uma atracção gravitacional praticamente nula, os neutrinos exercem apenas forças extremamente ténues sobre outras partículas. Na verdade, milhares de milhões de neutrinos atravessam o seu corpo neste preciso momento, a maioria vinda do Sol, mas raramente interagem connosco.

Ainda assim, a sua reduzida influência sobre outras partículas subatómicas não significa que os neutrinos não sejam uma componente fundamental da matéria. São as partículas com massa mais abundantes do Universo, e perceber o que confere massas em repouso tão pequenas, mas diferentes de zero, a estas variantes de neutrinos poderá ajudar os físicos a resolver ou a compreender algumas das contradições que os neutrinos apresentam no Modelo Padrão através da forma como oscilam.

Os físicos têm aperfeiçoado gradualmente as suas melhores estimativas para os limites superiores das massas individuais e colectivas dos neutrinos, recorrendo a vários métodos. A medição mais precisa até hoje de um «sabor» denominado neutrino electrónico concluiu que não pode exceder 0.8 eletrões-volt. Em termos de massa comparada com 1 quilograma, equivale aproximadamente ao peso de quatro passas de uva face ao Sol.

Estabelecida em fevereiro de 2022, a estimativa mais recente foi obtida pela Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN), na Alemanha, e inferida a partir da emissão de eletrões e neutrinos libertados durante o decaimento de uma forma superpesada de hidrogénio.

Hólmio-163 e a energia libertada no decaimento

Outra via para investigar a massa, por mais reduzida que seja, de um neutrino consiste em estudar o que acontece quando o núcleo atómico de um isótopo artificial, o hólmio-163, absorve um eletrão da sua camada mais interna. Como consequência, um protão transforma-se num neutrão, forma-se o elemento disprósio-163 e é libertado um neutrino.

Os físicos podem depois medir, com uma espécie de calorímetro, a energia total libertada nesse decaimento. Com base na massa total do átomo e na célebre equação de Einstein, E = mc², em que massa e energia são equivalentes, conseguem inferir a massa do neutrino «em falta» que se afastou pelo espaço.

Este cálculo corresponde ao chamado valor Q: uma diferença de energia que pode ser convertida na massa «em falta» da soma total das partículas atómicas após uma reacção de decaimento. Essa diferença de massa é interpretada como sendo o neutrino.

Contudo, os átomos de ouro nos quais o hólmio-163 está incorporado podem afectar esta reacção de decaimento, explica Christoph Schweiger, físico do Instituto Max Planck de Física Nuclear e autor principal do novo estudo.

«Por isso, é importante medir o valor de Q com a maior precisão possível através de um método alternativo e compará-lo com o valor determinado calorimetricamente, de modo a detectar possíveis fontes sistemáticas de erro», afirma.

Cinco armadilhas de Penning aumentam a precisão

Para o conseguir, Schweiger e os seus colegas montaram uma experiência que combinava cinco chamadas armadilhas de Penning, empilhadas verticalmente no interior de um íman supercondutor. O conjunto foi colocado no vácuo e imerso em hélio líquido a cerca de 4 kelvin (-269.1 °C).

Todo este esforço ajuda a proteger o equipamento, tornando-o suficientemente sensível para capturar partículas nas armadilhas de Penning e medir as subtis diferenças de energia entre iões carregados de hólmio-163 e de disprósio-163.

«Com um Airbus A-380 à carga máxima, esta sensibilidade permitiria determinar se uma única gota de água tinha caído sobre ele», diz Schweiger.

Na prática, os investigadores mediram os iões de hólmio-163 que entravam e os iões de disprósio-163 resultantes, obtendo um valor Q de 2,863.2 ± 0.6 eV c⁻². Trata-se de uma precisão 50 vezes superior à de uma tentativa anterior, que chegou a um valor de 2,833 ± 34 eV c⁻².

Utilizar um valor Q mais exacto e medido de forma independente em conjunto com outros resultados experimentais «é vital para a avaliação das incertezas sistemáticas na determinação da massa do neutrino», escrevem Schweiger e os seus colegas no artigo publicado.

Embora seja apenas uma peça do puzzle, uma maior precisão em medições como o valor Q pode ser combinada com a ampla variedade de abordagens destinadas a compreender porque é que os estranhos e cintilantes fantasmas do mundo das partículas se comportam como os poltergeists que são.

O estudo foi publicado na Nature Physics.