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Os neutrinos são partículas elementares onipresentes que interagem apenas muito fracamente com a matéria normal. Portanto, eles geralmente penetram nele sem impedimentos e, portanto, também são chamados de partículas fantasmas. No entanto, os neutrinos desempenham um papel predominante no universo primitivo. Para explicar completamente como o nosso universo evoluiu, precisamos acima de tudo conhecer a sua massa. Mas até agora não foi possível determinar essa massa.
A colaboração internacional do Project 8 quer mudar isto com a sua nova experiência. Pela primeira vez, o Projeto 8 está usando uma tecnologia completamente nova para determinar a massa do neutrino, a chamada “Espectroscopia de Emissão de Radiação de Ciclotron” – CRES, abreviadamente. Em recente publicação na revista Cartas de revisão física, a colaboração do Project 8 conseguiu agora mostrar que o método CRES é de facto adequado para determinar a massa do neutrino e já estabeleceu um limite superior para esta quantidade fundamental numa primeira medição – um marco importante foi assim alcançado. Da Universidade Johannes Gutenberg Mainz (JGU), estão envolvidos os grupos de pesquisa do Prof. Martin Fertl e do Prof. Sebastian Böser, ambos pesquisadores do Cluster de Excelência PRISMA.+. A Dra. Christine Claessens, ex-aluna de doutorado de Sebastian Böser e agora pós-doutorada na Universidade de Washington em Seattle (EUA), deu uma contribuição crucial para a publicação atual como parte de sua tese de doutorado.
Elétrons como a chave para a massa dos neutrinos
O experimento do Projeto 8 usa o decaimento beta do trítio radioativo para rastrear a massa dos neutrinos. O trítio é um parente pesado do hidrogênio – o chamado isótopo. É instável e consiste em um próton e dois nêutrons. Ao converter um desses nêutrons em um próton, o trítio decai em hélio enquanto emite um elétron e um antineutrino. “E aqui está o chute”, diz Martin Fertl. “Como os neutrinos e suas antipartículas não têm carga elétrica, eles são muito difíceis de detectar. Portanto, nem tentamos detectá-los. Em vez disso, medimos a energia dos elétrons resultantes através de sua frequência orbital em um campo magnético. Com base com base na forma do espectro de energia dos elétrons, determinamos então a massa do neutrino, ou definimos um limite superior para essa massa desta forma.”
É necessária uma medição muito precisa da energia dos elétrons
Para obter resultados confiáveis, a energia dos elétrons deve ser medida com extrema precisão. Isto ocorre porque o (anti)neutrino resultante é incrivelmente leve, pelo menos 500.000 vezes mais leve que um elétron. “Quando neutrinos e electrões são produzidos simultaneamente, a massa do neutrino tem apenas um pequeno efeito no movimento do electrão. E queremos ver este pequeno efeito,” explica Sebastian Böser. O método que torna isso possível é denominado “Espectroscopia de Emissão de Radiação de Ciclotron” (CRES). Ele registra a radiação de micro-ondas emitida pelos elétrons nascentes quando eles são forçados a seguir um caminho circular em um campo magnético. A frequência da radiação emitida pode ser determinada com extrema precisão e então a massa do neutrino pode ser inferida a partir da energia do elétron.
Para fazer este trabalho, Christine Claessens deu uma contribuição experimental decisiva: “Como parte da minha tese de doutorado, desenvolvi, entre outras coisas, um sistema de detecção de eventos que consiste em um gatilho em tempo real e uma reconstrução de eventos offline. Este sistema procura por as características CRES apresentam no sinal de radiofrequência continuamente digitalizado e processado. A reconstrução da frequência inicial de cada evento de elétron permite a gravação de alta precisão de um espectro de decaimento de trítio. Nesta base, Christine Claessens conseguiu analisar o primeiro espectro de trítio registado com o CRES no que diz respeito às incertezas sistemáticas – e assim calcular um primeiro limite superior para a massa de neutrinos com esta nova tecnologia, que agora encontrou o seu caminho para a última publicação .
Lá, a colaboração do Projeto 8 relata especificamente 3.770 eventos de decaimento de trítio-beta que foram registrados durante um período de 82 dias em uma célula de amostra do tamanho de uma única ervilha. A célula de amostra é resfriada a temperaturas muito baixas e colocada em um campo magnético que faz com que os elétrons que escapam viajem em um caminho circular por tempo suficiente para que os detectores registrem um sinal de micro-ondas. Crucialmente, não são registrados sinais falsos ou eventos de fundo que possam ser confundidos ou mascarar o “sinal real”. “A determinação inicial do limite superior da massa do neutrino com uma técnica de medição puramente baseada em frequência é um resultado muito promissor, uma vez que hoje podemos medir frequências com muita precisão”, concluem Sebastian Böser e Martin Fertl.
Próximos passos já estão em andamento
Após a prova de princípio bem-sucedida, o próximo passo está pronto: para o experimento final, os pesquisadores precisam de átomos de trítio individuais, que eles criam a partir da fissão de moléculas de trítio. Isto é complicado porque o trítio, tal como o hidrogénio, prefere formar moléculas. O desenvolvimento de tal fonte – primeiro para o hidrogénio atómico e depois para o trítio atómico – é uma importante contribuição da equipa de Mainz.
Neste momento, a colaboração do Projecto 8, que inclui membros de dez instituições de investigação em todo o mundo, está a trabalhar em projetos de teste para ampliar a experiência de uma câmara de amostras do tamanho de uma ervilha para uma câmara mil vezes maior. Isso permitirá que muito mais eventos de decaimento beta sejam registrados. No final de um programa plurianual de investigação e desenvolvimento, a experiência do Projecto 8 deverá eventualmente superar a sensibilidade de experiências anteriores – como a actual experiência KATRIN – para fornecer pela primeira vez um valor para a massa dos neutrinos.
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