Um dos maiores mistérios da física moderna de partículas é a determinação da massa de repouso do neutrino. Mais precisamente, as somas de massas, já que os neutrinos oscilam — eles se transformam sucessivamente de um tipo para outro à medida que se movem. A massa dos neutrinos determina muitas hipóteses em cosmologia e nossa compreensão de como nosso Universo funciona. Mas essa massa é tão pequena, e os próprios neutrinos interagem tão fracamente com a matéria, que se tornou extremamente difícil detectá-los.
O espectrômetro é entregue ao instituto. Fonte da imagem: katrin.kit.edu
Enquanto os EUA e a China constroem novos complexos subterrâneos colossais para registrar neutrinos, um experimento para medir a massa de neutrinos está em andamento na Alemanha desde 2019 no instituto em Karlsruhe. Isso está sendo feito pela colaboração KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment), cuja instalação também foi desenvolvida com a ajuda de físicos russos do Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia Russa de Ciências (INR RAS) em Troitsk.
O experimento KATRIN é construído em torno de um espectrômetro de 200 toneladas. Cientistas medem a massa (energia) do antineutrino do elétron com alta precisão usando o decaimento beta do trítio. O próprio (anti)neutrino, que é formado no processo de decaimento, permanece indefinido, mas sua energia, e portanto sua massa, pode ser calculada subtraindo da equação a massa do elétron, também emitido no processo de decaimento.
Em 2022, com base nas medições das energias de 6 milhões de elétrons, o limite superior da massa de repouso do neutrino foi definido em 0,8 eV (elétron-volt). O último pacote de observação durou 259 dias e permitiu medir a energia de 36 milhões de elétrons. Novos dados reduziram quase pela metade o teto de massa dos neutrinos para 0,45 eV. Até o final do ano, os cientistas terão recebido 250 milhões de medições, o que tornará possível medir experimentalmente a massa dos neutrinos com mais precisão.
Além disso, há a chance de ver pela primeira vez o rastro deixado pelo neutrino no detector. As capacidades da instalação em si não permitem determinar a energia de partículas menores que 0,2 eV, mas os cientistas esperam que a massa dos neutrinos seja maior que esse valor.
Os neutrinos são considerados as partículas mais comuns no Universo depois dos fótons. Suas propriedades, incluindo a massa, podem ser usadas para tentar explicar tanto a matéria escura quanto a energia escura. Apesar de sua leveza, a densidade dos neutrinos é tão alta que essas partículas podem muito bem desempenhar o papel de um mecanismo oculto para muitos processos no Universo. Portanto, uma determinação precisa de sua massa ajudará a responder muitas questões fundamentais sobre o universo. E esse momento está se aproximando cada vez mais.