Uma equipe incluindo pesquisadores do Laboratory for High Energy Physics da University of Bern mediu com sucesso as taxas de interação de neutrinos em energias sem precedentes usando o Large Hadron Collider (LHC) no CERN. Uma melhor compreensão dessas partículas elementares elusivas pode ajudar a responder à questão de por que há mais matéria do que antimatéria no universo.
Neutrinos são partículas fundamentais que desempenharam um papel importante na fase inicial do universo. Eles são essenciais para aprender mais sobre as leis fundamentais da natureza, incluindo como as partículas adquirem massa e por que há mais matéria do que antimatéria. Apesar de estarem entre as partículas mais abundantes no universo, elas são muito difíceis de detectar porque passam pela matéria com quase nenhuma interação. Por isso, são frequentemente chamadas de “partículas fantasmas”. Os neutrinos são conhecidos há várias décadas e foram muito importantes para estabelecer o modelo padrão da física de partículas. No entanto, a maioria dos neutrinos estudados pelos físicos até agora foram neutrinos de baixa energia gerados em instalações especialmente construídas.
A Colaboração Internacional FASER, incluindo pesquisadores do Laboratório de Física de Altas Energias (LHEP) da Universidade de Berna, mediu com sucesso as taxas de interação de neutrinos de elétrons e neutrinos de múons (dois subtipos de neutrinos) com núcleos atômicos na energia mais alta até o momento (1 teraeletronvolt ou TeV). A medição foi feita usando o FASERSim detector do experimento FASER, que mede neutrinos produzidos por colisões de partículas no Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN (Organização Europeia para Pesquisa Nuclear em Genebra). Notavelmente, esta é a primeira observação de neutrinos de elétrons em um experimento do LHC. “Este resultado de pesquisa é de grande importância porque o estudo de neutrinos em energias tão altas oferece a possibilidade de obter insights mais profundos sobre as leis fundamentais da natureza, estudando processos raros e possivelmente descobrindo novos fenômenos físicos”, diz Akitaka Ariga, físico de partículas e chefe do grupo FASER no Laboratório de Física de Altas Energias (LHEP) da Universidade de Berna. O estudo foi publicado no periódico Cartas de revisão física.
Tecnologia de detecção avançada de última geração
O detector de neutrinos FASERnu observa neutrinos de alta energia produzidos por colisões próton-próton no LHC. Ele é colocado no subsolo, a 480 metros do ponto de colisão e consiste em camadas alternadas de placas de tungstênio (com densidade comparável ao ouro) e filmes de emulsão capazes de detectar rastros de partículas com precisão nanométrica. Este detector de 1,1 tonelada com tecnologia de ponta está em operação desde 2022. “Neste estudo, analisamos uma parte dos dados obtidos pelo FASERSim detector em 2022, totalizando 2% do total de dados coletados até agora, então ainda temos um longo caminho a percorrer”, explica Ariga, que lidera o projeto FASERnu.
Neutrinos de alta energia são a chave para uma nova física?
No experimento FASER, o número de neutrinos detectados deve ser aumentado cem vezes ao longo dos próximos anos, abordando questões sobre as diferenças entre os três subtipos de neutrinos e possíveis forças desconhecidas. O neutrino tau, o terceiro subtipo, é difícil de produzir e detectar em baixas energias. “A alta energia do experimento FASER torna possível gerar e estudar neutrinos tau de forma mais eficiente. Pouco se sabe sobre esses neutrinos e eles podem fornecer novos insights físicos”, observa Ariga. O experimento FASER continuará coletando dados até o final de 2025.
Experimentos futuros, como o experimento de acompanhamento FASERSim2, espera-se que coletem mais de 10.000 vezes mais quantidades de dados para expandir significativamente essas investigações. Para um dia ser capaz de responder a perguntas como “Por que o universo consiste principalmente de matéria e apenas muito pouca antimatéria?” ou “O que é matéria escura?”, a descoberta de forças previamente desconhecidas ou novas partículas é essencial. “Talvez encontremos ‘física não descoberta’ com os neutrinos de alta energia”, diz Ariga.
Experiência da Universidade de Berna no CERN e no Fermilab
O CERN é um dos centros mais renomados de física de partículas e opera o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o LHC. O FASER não é o único projeto da Universidade de Berna nesta grande instalação internacional. Ele também foi um membro fundador do ATLAS, o maior detector de partículas do LHC, e continua a desempenhar um papel fundamental em sua operação e desenvolvimento posterior. No FASER, o grupo de pesquisa de Akitaka Ariga também está envolvido desde sua concepção.
Na pesquisa de neutrinos, a Universidade de Berna também está envolvida no Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), um experimento internacional emblemático no centro de pesquisa de física de partículas Fermilab, perto de Chicago (EUA), no qual mais de 1.000 pesquisadores de mais de 30 países já estão ativos e que gerará o feixe de neutrinos mais intenso do mundo.
O projeto FASERnu na 3ª ronda recebeu financiamento do Conselho Europeu de Investigação (ERC) no âmbito do programa de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeiae foi apoiado pela Fundação Heising-Simons e pela Fundação Simons.
