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Da China ao Polo Sul: unindo forças para resolver o quebra-cabeça da massa de neutrinos

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Um dos problemas mais interessantes da física moderna é a determinação da ordem das massas de neutrinos. Físicos do cluster de excelência PRISMA + da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) desempenham um papel de liderança em um novo estudo que indica que o mistério de ordenar a massa de neutrinos pode finalmente ser resolvido nos próximos anos.Isso acontecerá graças à implementação conjunta de dois novos experimentos com neutrinos, que estão em modernização do desenvolvimento do experimento IceCube no Polo Sul e do Observatório de Neutrinos Subterrâneos Jiangmen (JUNO) na China. Em breve eles darão aos físicos acesso a dados muito mais sensíveis e complementares sobre a ordem das massas de neutrinos.

Neutrinos são camaleões entre partículas elementares.


Os neutrinos são produzidos por fontes naturais - por exemplo, nas entranhas do Sol ou outros objetos astronômicos -, bem como em grandes quantidades pelas usinas nucleares. No entanto, eles podem passar pela matéria comum - como o corpo humano - quase sem obstáculos, sem deixar vestígios de sua presença. Isso significa que são necessários métodos extremamente complexos que requerem o uso de detectores maciços para observar reações raras aleatórias nas quais essas "partículas fantasmas" estão envolvidas.

Existem três tipos diferentes de neutrinos: neutrinos eletrônicos, muônicos e tau. Eles podem variar de um tipo para outro, e os cientistas chamam esse fenômeno de "oscilações de neutrinos". A massa de partículas pode ser determinada observando os padrões vibracionais. Por muitos anos, os físicos tentaram estabelecer qual dos três tipos de neutrinos é o mais leve e o mais pesado. O professor Michael Wurm, físico do cluster de excelência PRISMA +, que desempenha um papel importante na condução do experimento JUNO na China, explica: “Acreditamos que a resposta a essa pergunta fará uma contribuição significativa e nos permitirá coletar dados de longo prazo sobre a violação da simetria da matéria e antimatéria na China. setor de neutrinos. Então, usando esses dados, esperamos descobrir de uma vez por todas porque a matéria e a antimatéria não se destruíram completamente após o Big Bang. ”

A colaboração global é rentável


Ambos os experimentos em larga escala usam métodos muito diferentes e complementares para resolver o enigma de ordenar a massa de neutrinos. “A abordagem óbvia é combinar os resultados esperados dos dois experimentos”, diz o professor Sebastian Bezer, do cluster PRISMA +, também pesquisador de neutrinos e um dos principais participantes do experimento IceCube.

Não antes de dizer que acabou. Na revista Physical Review D, pesquisadores do IceCube e da colaboração JUNO publicaram uma análise conjunta de seus experimentos. Para isso, os autores modelaram os dados experimentais previstos, dependendo do tempo de medição para cada experimento. Os resultados variam dependendo se as massas de neutrinos estão na ordem normal ou reversa (invertida). Os físicos então realizaram um teste estatístico no qual aplicaram uma análise combinada aos resultados simulados dos dois experimentos. Isso revelou o grau de sensibilidade com que os dois experimentos combinados poderiam prever a ordem correta ou, melhor dizendo, eliminar a ordem errada. Como os padrões de oscilação observados no JUNO e no IceCube dependem da ordem real da massa de neutrinos de uma maneira específica para cada experimento,o teste combinado possui uma capacidade distintiva significativamente maior que os resultados experimentais individuais. Assim, essa combinação finalmente eliminará a ordem incorreta da massa de neutrinos durante o período de medição de três a sete anos.

"Nesse caso, o todo é realmente maior que a soma de suas partes", conclui Sebastian Bezer. "Aqui temos evidências claras da eficácia da abordagem experimental complementar quando se trata de resolver os quebra-cabeças de neutrinos restantes". “Nenhum experimento pode conseguir isso sozinho, seja uma atualização para o IceCube, JUNO ou qualquer outro dos lançados atualmente”, acrescenta Michael Wurm. "Além disso, apenas mostra o que os físicos podem alcançar trabalhando juntos".

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