8 é um marco importante na medição da massa dos neutrinos. Neutrinos são partículas subatômicas indescritíveis que passam sem esforço pela matéria comum e desempenham um papel importante nas partículas que constituem o nosso universo. Para explicar completamente como o nosso universo se formou, precisamos saber a sua massa. Mas, como muitos de nós, é encontrar maneiras de evitar o peso.
Em 2022, a equipe de pesquisa KATRIN determinou um limite superior para a massa de um neutrino. Essa conquista histórica foi o resultado de décadas de trabalho árduo. Mas esses resultados apenas restringem a janela de pesquisa. O KATRIN em breve atingirá e até um dia excederá seu limite de detecção de alvos, mas os neutrinos leves podem ser ainda mais leves, o que levanta a questão: "O que vem a seguir? O que vem a seguir?"
TA GPH12A espectroscopia de emissão radiativa do ciclotron (CRES) vista aqui é a chave para uma abordagem completamente nova que visa determinar a massa do neutrino indescritível. Fonte: Alec Lindemann, Equipe do Projeto 8
Rastreando partículas fantasmas
No estudo mais recente, a equipe do Projeto 8 relata na revista Physical Review Letters que eles podem usar uma técnica completamente nova para rastrear e registrar de forma confiável um fenômeno natural chamado decaimento beta. Quando uma rara variante radioativa do hidrogênio - o trítio - decai em três partículas subatômicas: íons de hélio, elétrons e neutrinos, cada decaimento libera uma pequena quantidade de energia.
O sucesso final do Projeto 8 depende de um plano ambicioso. Em vez de tentar detectar neutrinos diretamente – que podem passar pela maioria das tecnologias de detectores sem dificuldade – a equipe usou uma estratégia de medição simples que pode ser resumida da seguinte forma:
Einstein nos disse que a massa total de um átomo de trítio é igual à energia de suas partes. Quando medimos os elétrons livres produzidos pelo decaimento beta, conhecemos a massa total, e a energia “que falta” é a massa e o movimento do neutrino.
Brent VanDevender, um dos principais pesquisadores do Projeto 8 no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia, disse: "Em princípio, à medida que a tecnologia se desenvolve e aumenta, pode ser possível atingir a faixa necessária para determinar a massa dos neutrinos "
Por que Projeto 8?
Estes investigadores optaram por prosseguir esta estratégia ambiciosa porque examinaram os prós e os contras e concluíram que era viável.
Talia Weiss é estudante de pós-graduação em física nuclear na Universidade de Yale. Ela e seus colegas do Projeto 8 passaram anos estudando como distinguir com precisão os sinais eletrônicos do ruído eletrônico de fundo. Christine Claessens é pós-doutoranda na Universidade de Washington. Ela recebeu seu doutorado do Projeto 8 da Universidade de Mainz, na Alemanha. Weiss e Claesens conduziram duas análises finais, colocando as primeiras restrições nas massas de neutrinos derivadas da nova técnica.
Weiss disse: "O neutrino é incrivelmente leve. É mais de 500.000 vezes mais leve que o elétron. Portanto, quando um neutrino e um elétron são produzidos ao mesmo tempo, o efeito da massa do neutrino no movimento do elétron é mínimo. Queremos ver esse pequeno efeito. Então, nós precisamos de uma maneira superprecisa de medir a velocidade com que o elétron está se movendo." O projeto
8 depende exatamente dessa tecnologia, concebida há mais de uma década pelos físicos Joe Formaggio e Ben Monreal, então ambos no MIT. Uma equipe internacional se uniu em torno da ideia e formou o Projeto 8 para transformar a ideia em uma ferramenta prática. O método resultante é denominado espectroscopia de emissão radiativa cíclotron (CRES). Ele captura a radiação de micro-ondas emitida pelos elétrons recém-nascidos enquanto eles giram em um campo magnético. Esses elétrons carregam a maior parte, mas não toda, da energia liberada durante o decaimento beta. É esta energia que falta que revela a massa do neutrino. Esta é a primeira vez que a tecnologia CRES é usada para medir o decaimento beta do trítio e estabelecer um limite superior para a massa dos neutrinos.
Como os cientistas pesam os neutrinos? Fonte da imagem: Animação produzida por Sara Levine no Pacific Northwest National Laboratory
Métodos e desafios inovadores
A equipe de pesquisa está interessada apenas em rastrear esses elétrons porque sua energia é a chave para revelar a massa dos neutrinos. Embora esta estratégia já tenha sido utilizada antes, a energia dos electrões medida pelo detector CRES é tão crítica que o seu potencial de escalabilidade excede qualquer tecnologia existente. E essa escalabilidade é o que diferencia o Projeto 8. Elise Novitski é professora assistente na Universidade de Washington e liderou muitos aspectos do trabalho recém-publicado.
Nowitzki disse: "Ninguém está fazendo isso. Não estamos pegando a tecnologia existente e tentando ajustá-la um pouco. Estamos meio que no Velho Oeste." célula de amostra do tamanho de uma ervilha durante uma janela experimental de 82 dias. A célula de amostra é resfriada criogenicamente e colocada em um campo magnético que captura elétrons emergentes por um longo tempo, permitindo que a antena de gravação do sistema registre o sinal de micro-ondas.
O melhor de tudo é que a equipe não registrou nenhum sinal falso ou evento de fundo que não pudesse ser confundido com sinais reais. Isto é importante porque mesmo um fundo muito pequeno pode mascarar o sinal de massa do neutrino, dificultando a interpretação do sinal útil.
Pesquisadores que fazem parte do Projeto 8, liderados pelo físico experimental do PNNL Noah Oblath, também desenvolveram um conjunto de software especializado – cada um com o nome de vários insetos – para pegar dados brutos e convertê-los em sinais que podem ser analisados. Os engenheiros de projeto também usaram seus chapéus de consertadores e inventaram várias peças para tornar o Projeto 8 um sucesso.
Nowitzki disse: “Nossos engenheiros são essenciais para este trabalho. livros didáticos. "
Chegando à linha de chegada
Agora que a equipe de pesquisa provou que seu projeto e sistema experimental podem funcionar com moléculas de trítio, eles têm uma tarefa urgente pela frente. Parte da equipe está trabalhando na próxima etapa: construir um sistema que possa gerar, resfriar e capturar átomos de trítio individuais. Esta etapa é complicada porque o trítio, assim como seu primo mais abundante, o hidrogênio, prefere formar moléculas. Essas moléculas tornarão impossível alcançar o objetivo final da equipe do Projeto 8. Liderados por físicos da Universidade de Mainz, os pesquisadores estão desenvolvendo uma plataforma de testes para criar e capturar trítio atômico usando um conjunto complexo de ímãs. Isto evita que o trítio atômico entre em contato com as paredes celulares da amostra - já que quase certamente reverterá à sua forma molecular na parede celular.
Avanços nesta tecnologia, juntamente com atualizações em todo o instrumento, serão etapas críticas para alcançar e, em última análise, exceder a sensibilidade alcançada pela equipe KATRIN.
Atualmente, uma equipe de pesquisa composta por membros de dez instituições de pesquisa está testando projetos para dimensionar experimentos desde uma câmara de amostras do tamanho de uma ervilha até uma câmara mil vezes maior. A ideia é usar dispositivos de escuta maiores para capturar mais eventos de decaimento beta – do tamanho de uma ervilha ao tamanho de uma bola de praia.
“O Projeto 8 não é apenas um experimento CRES maior e melhor, é o primeiro experimento CRES e o primeiro a usar esta tecnologia de detecção”, disse Oblath. "Isso nunca foi feito antes. A maioria dos experimentos tem 50 ou 100 anos, pelo menos a tecnologia de detecção que eles usam, e isso é realmente novo."