Neutrinos ajudam a explicar origem do universo material

Com informações da Agência Fapesp -  28/11/2016

Esquema do experimento Double Chooz, que está obtendo resultados pioneiros sobre propriedades dos neutrinos.[Imagem: Double Chooz Experiment]

Simetria CP

Um experimento destinado a medir as mutações que os neutrinos sofrem, passando de um tipo para outro, está ajudando os físicos a preencherem uma das grandes lacunas do Modelo Cosmológico Padrão, o modelo do Big Bang: Por que a matéria existe, se o modelo propõe que matéria e antimatéria foram criadas em quantidades iguais no nascimento do Universo?

O experimento, chamado Double Chooz, ainda está em andamento na França, conduzido por uma colaboração internacional com participação brasileira, que envolve cientistas do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), da Universidade Federal do ABC (UFABC) e da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

Para a equipe, os experimentos feitos até agora forneceram "conhecimentos cruciais para a compreensão do fenômeno que possibilitou a constituição do universo material".

Pela análise, os físicos concluíram que esse fenômeno, chamado "violação da simetria de carga-paridade dos léptons", produziu, logo depois do Big Bang, um pequeno excedente de matéria em relação à antimatéria. É esse excedente que compõe, atualmente, o universo conhecido.

Tipos de neutrinos

Existem três tipos ou "sabores" de neutrinos: o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau. A "oscilação dos neutrinos" é o nome genérico que se dá para a transformação de um tipo em outro - a descoberta dessa conversão entre tipos de neutrinos ganhou o Prêmio Nobel de Física no ano passado.

O experimento Double Chooz consiste na medição do fluxo de neutrinos disparado - em uma determinada direção e sentido - pela central nuclear de Chooz, localizada próximo à fronteira da França com a Bélgica. O fluxo é medido por meio de dois detectores idênticos, situados respectivamente a 400 metros e a 1.050 metros do reator. A diferença na quantidade detectada permite calcular a transformação de um tipo de neutrino em outro e o ângulo de mistura entre os tipos.

A medição precisa desse ângulo de mistura, identificado pela sigla Θ13 (lê-se "teta um três"), é um dos objetivos principais do experimento Double Chooz - não apenas pela informação acerca da natureza intrínseca dos neutrinos como, principalmente, por sua conexão com a violação da simetria de carga-paridade nos léptons, que teria produzido o excedente de matéria que constituiu o universo.

"Se Θ13 fosse nulo, não seria possível medir, nas oscilações, a assimetria de carga-paridade. Porém, o Double Chooz forneceu um valor diferente de zero. E isso possibilita que experimentos futuros obtenham medidas da violação de simetria. Esses experimentos de nova geração são necessários porque, mesmo com Θ13 diferente de zero, a assimetria pode ser nula," explicou Pietro Chimenti, membro da colaboração Double Chooz.

Foto do detector interno do experimento Double Chooz, feito ao lado de uma usina nuclear. [Imagem: CEA-Saclay/IRFU-SIS]

Neutrinos

Os neutrinos são a segunda partícula mais abundante do universo, depois dos fótons. E, pelo fato de não serem suscetíveis à interação eletromagnética nem à interação nuclear forte, são capazes de atravessar a matéria comum, mesmo os corpos mais compactos, sem que seu movimento seja barrado ou desviado. Essas propriedades singulares lhes conferem um papel único na física.

No chamado Modelo Padrão da Física de Partículas, o neutrino faz parte da família dos léptons. Para cada lépton eletricamente carregado (o elétron, o múon e o tau), existe um tipo de neutrino correspondente. O que os experimentos que ganharam o Nobel de Física de 2015 fizeram foi comprovar que um tipo de neutrino se transforma em outro, algo que só é possível se o neutrino tiver massa - até então os físicos acreditavam que o neutrino não tivesse massa.

A demonstração da massa da partícula transformou o estudo dos neutrinos em um dos campos mais promissores da física atual.

Nosso planeta é atravessado regularmente por trilhões de neutrinos das mais diversas origens: neutrinos que foram produzidos nos primeiros tempos do universo; neutrinos provenientes de fontes extragalácticas; neutrinos gerados no interior das estrelas da Via Láctea; neutrinos originados no Sol; neutrinos resultantes do choque de raios cósmicos com a atmosfera terrestre e provavelmente muitos etcéteras.

Um outro experimento, chamado Babar, está explorando a simetria carga-paridade-tempo, em busca de confirmar a seta do tempo, ou seja, que o universo não dá marcha-a-ré. [Imagem: Greg Stewart/SLAC]

Decaimento beta

Por exemplo, existem neutrinos produzidos pelo processo nuclear conhecido como decaimento beta, muito frequente nas usinas nucleares. São estes neutrinos que foram e ainda estão sendo medidos pelo experimento Double Chooz. O decaimento beta é o processo por meio do qual um núcleo instável se transforma em outro ao emitir uma partícula beta (um elétron ou um pósitron). No decaimento Β- (beta menos), um nêutron se transforma em um próton, ao emitir um elétron e um antineutrino. No decaimento Β+ (beta mais), um próton se transforma em um nêutron, ao emitir um pósitron e um neutrino do elétron. Além desses dois tipos de decaimento, a transformação pode ocorrer também por meio da captura eletrônica. Nesta, um próton se transforma em um nêutron, ao capturar um elétron e um neutrino do elétron.

"Devido à grande potência da central, o fenômeno é bastante expressivo em Chooz. E o experimento Double Chooz foi montado para medir a transformação de neutrinos do elétron em outros neutrinos ao se afastarem da fonte que os gerou. O experimento deverá se prolongar por ainda mais um ano. Mas já proporcionou medidas muito importantes do ângulo de mistura Θ13. E isso suscita muita expectativa em relação ao estudo da assimetria entre matéria e antimatéria. A violação da simetria de carga-paridade explicaria por que observamos matéria e não antimatéria no universo," finalizou Chimenti.

Bibliografia:

Measurement of Θ13 in Double Chooz using neutron captures on hydrogen with novel background rejection techniques
The Double Chooz collaboration
Journal of High Energy Physics
DOI: 10.1007/JHEP01(2016)163