Neutrinos são mais leves que 0,8 elétron-volts
Novo recorde mundial: experimento KATRIN limita a massa de neutrinos com precisão sem precedentes.
Os Neutrinos são provavelmente as partículas elementares mais fascinantes do nosso universo. Na cosmologia, eles desempenham um papel importante na formação de estruturas de grande escala, enquanto na física de partículas eles se destacam por sua massa minúscula, mas diferente de zero, apontando para novos fenômenos físicos além de nossas teorias atuais. Sem medir a escala de massa dos neutrinos, nossa compreensão do universo permanece incompleta.
Os cientistas costumam se referir ao neutrino como uma “partícula fantasma” porque quase nunca interage com outra matéria.
Esse é o desafio internacional KATranquilo TRItio nA experiência do eutrino (KATRIN) no Karlsruhe Institute of Technology (KIT) com parceiros de seis países estabeleceu-se como a escala mais sensível do mundo para neutrinos. Ele usa o decaimento beta do trítio, um isótopo instável de hidrogênio, para determinar a massa do neutrino através da distribuição de energia dos elétrons liberados durante o decaimento. Isso requer um grande esforço tecnológico: o experimento de 70 metros de comprimento abriga a fonte de trítio mais intensa do mundo e um enorme espectrômetro para medir a energia dos elétrons de decaimento com precisão sem precedentes.
Montagem de eletrodos no espectrômetro principal do experimento KATRIN. Créditos da foto: Joachim Wolf/KIT
A alta qualidade dos dados após o início das medições científicas em 2019 foi continuamente aprimorada nos últimos dois anos. “KATRIN é um experimento com os mais altos requisitos tecnológicos e agora está funcionando como um relógio”, diz Guido Drexlin (KIT), gerente de projeto e um dos dois palestrantes do experimento. Christian Weinheimer ([{” attribute=””>University of Münster), the other co-spokesperson, adds that “the increase of the signal rate and the reduction of background rate were decisive for the new result.”
Data analysis
The in-depth analysis of this data was demanding everything from the international analysis team led by its two coordinators, Susanne Mertens (Max Planck Institute for Physics and TU Munich) and Magnus Schlösser (KIT). Each and every effect, no matter how small, had to be investigated in detail. “Only by this laborious and intricate method we were able to exclude a systematic bias of our result due to distorting processes. We are particularly proud of our analysis team which successfully took up this huge challenge with great commitment,” the two analysis coordinators are pleased to report.
The 70 meter long KATRIN experiment with its main components tritium source, main spectrometer and detector. Credit: Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration
The experimental data from the first year of measurements and the modeling based on a vanishingly small neutrino mass match perfectly: from this, a new upper limit on the neutrino mass of 0.8 eV can be determined (Nature Physics, July 2021). This is the first time that a direct neutrino mass experiment has entered the cosmologically and particle-physically important sub-eV mass range, where the fundamental mass scale of neutrinos is suspected to be. “The particle physics community is excited that the 1-eV-barrier has been broken by KATRIN,” comments neutrino expert John Wilkerson (University of North Carolina, Chair of the Executive Board).
Susanne Mertens explains the path to the new record: “Our team at the MPP in Munich has developed a new analysis method for KATRIN that is specially optimized for the requirements of this high-precision measurement. This strategy has been successfully used for past and current results. My group is highly motivated: We will continue to meet the future challenges of KATRIN analysis with new creative ideas and meticulous accuracy.”
Medições adicionais devem melhorar a sensibilidade
Os co-falantes e coordenadores de análise do KATRIN estão muito otimistas em relação ao futuro: “Mais medições da massa de neutrinos continuarão até o final de 2024. Para realizar todo o potencial deste experimento exclusivo, não apenas aumentaremos constantemente as estatísticas de eventos de sinal, mas desenvolveremos e instalaremos continuamente melhorias para reduzir ainda mais a taxa de fundo.”
Um papel especial é desempenhado pelo desenvolvimento de um novo sistema detector (TRISTAN), que o KATRIN pode usar a partir de 2025 para procurar neutrinos “estéreis” com massas na faixa de quiloelétron-volt, um candidato à misteriosa matéria escura no cosmos, que já foi encontrado em muitas observações astrofísicas e cosmológicas, mas cuja natureza física-partícula ainda é desconhecida.
Referência: “Medição direta de massa de neutrinos com sensibilidade Sub-eV” 14 de fevereiro de 2022, física natural.
DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1
