chamados de partículas fantasmagóricas neutrinos Raramente interagia com a matéria comum, dando às jovens aparições poderes supremos de ocultação. É tão evasivo que nas décadas desde sua descoberta inicial, os físicos ainda precisam determinar sua massa. Mas recentemente, ao colocá-los na escala de neutrinos de 200 toneladas, os cientistas estabeleceram um novo limite para a massa de um neutrino.
O resultado: é muito, muito pequeno.
Usando a escala de neutrinos mais sensível do mundo, os físicos analisaram um fluxo de dados para determinar que a partícula indescritível não pesava mais de 0,8 elétron-volts (eV), a primeira vez que um experimento foi abaixo do limite de 1 eV para o peso de qualquer partícula subatômica. partícula. Para comparação, um elétron pesa cerca de 511.000 elétron-volts, ou 9,11 x 10^-31 kg.
Em outras palavras, eles não têm medo de (medir) a ausência de fantasmas.
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quebra-cabeças de neutrinos
Os neutrinos são talvez a mais perturbadora de todas as partículas conhecidas na física. No Modelo Padrão da física de partículas, a explicação padrão-ouro de como a natureza funciona em um nível fundamental, os neutrinos não deveriam ter massa alguma. Isso se deve à atitude introvertida da partícula em relação ao resto de seu mundo quântico. Outras partículas, como os elétrons, obtêm sua massa interagindo com um campo quântico criado pelo bóson de Higgs. (Imagine uma partícula fluindo através de uma poça de água versus outra partícula tendo que entrar em uma bacia de melaço, e você pode ver como o campo de Higgs pode conferir diferentes massas às partículas com as quais interage.) Mas não existe tal mecanismo para os neutrinos , e assim os físicos por décadas assumiram que as partículas pequenas são tão sem massa quanto os fótons.
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A ideia de neutrinos sem massa funciona no campo da física há algum tempo, mesmo depois de aprender mais sobre os neutrinos, como o fato de que eles vêm em três tipos, ou “sabores”, um para cada tipo de interação que podem participar em: Os neutrinos do elétron aparecem lado a lado com os elétrons; par múon-neutrino com múons; E os neutrinos tau se alinham com as partículas tau. Essa ideia de sabor se encaixa bem com neutrinos sem massa. Mas então, na década de 1960, os físicos começaram a perceber que esses três tipos de neutrinos podiam “oscilar” ou mudar de um sabor para outro enquanto viajavam.
Para oscilar entre sabores, os neutrinos precisam de massa. E acontece que, como os sabores, existem três massas diferentes de neutrinos. Para que a oscilação funcione, os três blocos devem ser maiores que zero e são todos diferentes. Dessa forma, os três blocos se movem em velocidades diferentes e os sabores oscilam dependendo do estado quântico dos três blocos. Se todas as massas fossem zero, os neutrinos viajariam na velocidade da luz e não teriam chance de oscilar. No entanto, nem todo bloco corresponde a um sabor individual e, em vez disso, cada sabor é composto por uma mistura desses blocos. O que vemos como um neutrino do elétron, por exemplo, é uma mistura complexa de três neutrinos diferentes com três massas diferentes.
Até agora, os físicos não sabem a massa dos três neutrinos. Eles só têm limites dados por diferentes experimentos sobre a massa total do neutrino combinado e algumas diferenças de massas entre as diferentes massas.
perseguindo a decadência
Pregar a massa de qualquer tipo de neutrino seria uma grande ajuda na física de partículas, porque não sabemos como ele ganha massa. Existem muitos modelos teóricos, mas não sabemos quais estão corretos. Um bloco conhecido pode ajudar nesse esforço.
Na Alemanha, o Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) do Karlsruhe Institute of Technology foi projetado para fazer exatamente isso. O dispositivo possui uma grande quantidade de trítio e um espectrofotômetro maciço de 200 toneladas (180 toneladas métricas), que mede a energia dos elétrons.
O trítio é um isótopo radioativo raro hidrogênio Contém um próton e dois nêutrons. Ele naturalmente decai através de um processo chamado decaimento beta, no qual um dos nêutrons dentro do núcleo se converte espontaneamente em um próton (através de uma reação que envolve Energia nuclear fraca). Resultados? A mudança resulta na emissão de um elétron e um antineutrino de elétron, o parceiro de elétron antineutrino.
A quantidade de energia liberada da reação é determinada pela energia nuclear do átomo de trítio, de modo que o elétron e o neutrino devem compartilhar um total combinado de 18,6 keV de energia entre eles. Porque o trítio é tão leve milhoesta é uma das energias mais baixas possíveis para os neutrinos, o que torna as medições de pequenas massas de neutrinos tão fáceis quanto possível.
Às vezes a interação dá ao neutrino mais energia, às vezes menos. Todo o resto deve ir para o elétron. Se um neutrino não tem massa, então não há energia mínima que ele possa ter, assim como não há energia mínima que um fóton pode ter. Mas se um neutrino tem massa, ele sempre terá energia de massa em repouso, ou seja, a energia armazenada dentro de um neutrino em repouso por causa de sua massa. (Lembre-se, de acordo com a famosa equação de Einstein E = mc^2energia é igual a massa multiplicada por um número constante, velocidade da luz ao quadrado.) E essa energia de massa em repouso nunca estará disponível para um elétron.
Portanto, o nome do jogo com o KATRIN é medir a energia dos elétrons que saem do trítio com um espectrofotômetro gigante. Os elétrons com maior energia terão uma energia próxima a 18,6 MeV, mas diminuirá um pouco. Essa diferença se deve especificamente à massa do neutrino.
Além das Fronteiras
As medições de massa de neutrinos usando o KATRIN começaram em 2019 e agora os físicos atribuem isso à ciência. “KATRIN como um experimento com os mais altos requisitos tecnológicos agora funciona como o relógio perfeito”, disse Guido Drexlin do KIT, líder do projeto e um dos palestrantes envolvidos no experimento.
O experimento requer quantidades de reação de decaimento de trítio. “Esse trabalho meticuloso e complexo foi a única maneira de descartar o viés sistemático de nosso resultado devido a processos distorcidos”, disseram os coordenadores Magnus Schlosser do KIT e Susan Mertens do Instituto Max Planck de Física e da Universidade Técnica de Munique. Essas “distorções” são todas possíveis fontes de contaminação que também podem afetar a energia eletrônica do sinal, como os efeitos de campos magnéticos e ineficiências do detector.
Na versão mais recente, a equipe mediu a energia de mais de 3,5 milhões de elétrons individuais. Esse mesmo número representa menos de um milésimo de todos os elétrons emitidos pelo trítio, já que a equipe só estava interessada nos elétrons de maior energia para explorar a massa do neutrino.
Após esse esforço maciço, a Colaboração Internacional anunciou a confirmação de que o neutrino não é maior que 0,8 eV. O trabalho adicional com o KATRIN continuará a melhorar esse resultado e possivelmente descobrirá tipos adicionais de neutrinos que podem voar.
Sinta-se à vontade para inserir uma piada sobre caça-fantasmas aqui.
Originalmente publicado no Live Science.
