Experimento em usina nuclear chinesa

Scientific Americna Brasil
12 de março de 2012

Medida de neutrinos pode ajudar a resolver mistério da dominação da matéria sobre a antimatéria

por John Matson

©Lilac Mountain/ Shutterstock

Neutrinos são pequenas partículas esquivas. Apenas no final da década de 1990 foi descoberto que eles têm massa, após anos de indicações duvidosas nesse sentido. Podem oscilar entre três tipos, ou "sabores", mudando a identidade durante o trajeto. Talvez o que lhes tenha trazido mais fama é que foram acusados, no ano passado, de quebrarem a lei cósmica de viajar mais rápido que a luz (o júri ainda não deliberou, mas a absolvição parece iminente).

Agora, cientistas estão mais próximos de descobrir o modus operandi do neutrino. A colaboração de físicos possibilitou medir um dos descritores essenciais da mudança de comportamento, que troca o sabor do neutrino, um número chamado teta 13 (lê-se “teta um três”). Esse número, conhecido como ângulo de mistura, descreve a probabilidade de uma antipartícula de neutrino do elétron, o antineutrino do elétron, oscilar para outro sabor, percorrendo uma distância relativamente curta (cada um dos três sabores de neutrinos – do elétron, do tau e do múon – tem sua própria antipartícula parceira). Dois outros parâmetros de oscilação de neutrinos, ou ângulos de mistura, já foram medidos, mas o teta 13 é relativamente pequeno se comparado com os outros dois e provou ser mais difícil de definir.

Desde o ano passado, um grupo de físicos tenta medir teta 13 rastreando antineutrinos emitidos por uma grande usina nuclear Chinesa. A colaboração do experimento do Reator de Neutrinos Daya Bay construiu seis detectores, alguns perto dos reatores e outros a mais de um quilômetro de distância, para acompanhar como antineutrinos do elétron se transformam em outros sabores ao viajar através do espaço. Já que os detectores são ajustados para identificar apenas antineutrinos do elétron, qualquer oscilação significa que os neutrinos não serão detectados, isto é, eles parecem desaparecer. Outros experimentos tomaram o rumo oposto, procurando o surgimento de neutrinos do elétron em um feixe que transporta outros tipos de neutrinos.

Em apenas dois meses de dados, o conjunto distante de detectores registrou mais de 10 mil visitas de antineutrinos do elétron. Isso, porém, corresponde a apenas 94% do quanto seria ingenuamente esperado por extrapolação a partir dos detectores mais próximos dos reatores nucleares. Isso significa que uma fração substancial oscilou para outro sabor em sua viagem relativamente curta. “O que vemos agora é que este desaparecimento [de antineutrinos do elétron] está em 6%”, afirma o físico de neutrinos Karsten Heeger, da University of Wisconsin-Madison, membro da colaboração Daya Bay. “É um efeito bastante grande”. Heeger apresentou os resultados experimentais em 8 de março em um simpósio na Duke University, e o grupo submeteu seu estudo para a Physical Review Letters.

O experimento não foi totalmente construído ainda: os detectores sete e oito ainda estão em obras, mas a equipe do Daya Bay já observou desaparecimentos suficientes para quantificar a forma como o processo funciona. A nova estimativa, que cai dentro dos limites anteriores estabelecidos por outros experimentos, determina que teta 13 não é igual a zero, e que, de fato, é relativamente grande em comparação com o que era plausível à luz de outros resultados recentes. Um valor zero para teta 13 significaria que os neutrinos do elétron não apareceriam em feixes de neutrinos do múon, ou, no caso Daya Bay, que antineutrinos do elétron não desapareceriam até o momento em que alcançassem os detectores distantes. Outro experimento com reator, chamado KamLAND, também registrou o desaparecimento de antineutrinos ao longo de distâncias muito maiores, onde a oscilação é descrita por um ângulo de mistura teta 12, em vez de teta 13.

“Foi o primeiro experimento que mediu isso e mostrou que ele é diferente de zero”, comemora Heeger sobre o teta 13. “Houve indicações recentes, mas nenhum dos outros resultados foi bastante significante a ponto de chegar ao ponto que os físicos chamam de descoberta”. O grupo Daya Bay reivindica evidência melhor que 5-sigma em apoio de um valor diferente de zero para teta 13. Cinco sigma, ou cinco desvios padrão, implicam que a descoberta tem apenas uma em vários milhões de chances de resultar de uma casualidade estatística.

Um teta 13 não zero é uma boa notícia para os físicos que esperam explorar as diferenças entre neutrinos e antineutrinos, caso essas diferenças existam (na realidade, em outro aspecto complicado dos neutrinos, pode ser que eles sejam suas próprias antipartículas). Essas diferenças podem se apoiar sobre a questão persistente da razão de existir tanta matéria por aí e tão pouca antimatéria, quando ambas deveriam ter surgido em pé de igualdade no Bing Bang. Um tipo de viés matéria-antimatéria, um fenômeno conhecido como violação de CP, foi observado em outras partículas, e as novas descobertas indicam que pode ser demonstrável também em neutrinos. “Teta 13 é o principal parâmetro que rege o fato de podermos ou não explorar a violação CP”, explica o físico Kam-Biu Luk, do Lawrence Berkeley National Laboratory e da University of California, Berkeley, que é co-porta-voz do experimento. “Agora, com o teta 13 sendo diferente de zero, há chance de que possamos encontrar a violação CP no setor de neutrinos”.

Segundo Luk, futuros experimentos devem ser capazes de investigar essa possibilidade por meio do envio de neutrinos e antineutrinos de um laboratório para outro, por centenas de quilômetros, para comparar a forma como eles oscilam. “É certeza que agora, com nosso primeiro resultado, teremos muitas informações para seguir adiante”, avalia ele.

Rob Plunkett, físico do Fermilab e co-porta-voz do experimento Minos, com neutrinos, concorda que fechar o cerco ao redor do teta 13 é importante. “O número realmente controla o quanto dos fenômenos é possível obter”, ele explica. “Um teta 13 com valor alto é bom, pois ele leva muitos desses outros fenômenos a acontecerem”. Plunkett observa que outros grupos de pesquisa, incluindo o seu próprio, estão afunilando o valor de teta 13 e continuarão a publicar as descobertas para ajudar a melhorar a estimativa de consenso de seu valor. “Acredito que as coisas estejam convergindo com maior rapidez que o esperado”, concluiu.