Experimento “partícula fantasma” reduz a massa de neutrinos com precisão sem precedentes

Conceito de neutrino de colisão de partículas

Neutrinos são mais leves que 0,8 elétron-volts

Novo recorde mundial: o experimento KATRIN limita a massa de um neutrino com precisão sem precedentes.

Os neutrinos são indiscutivelmente as partículas elementares mais incríveis do nosso mundo. Na cosmologia, eles desempenham um papel importante na formação de estruturas de grande escala, enquanto na física de partículas, sua massa pequena, mas diferente de zero, os separa, indicando novos fenômenos físicos além de nossas teorias atuais. Sem medir a escala de massa dos neutrinos, nossa compreensão do universo permanecerá incompleta.

Os cientistas costumam se referir aos neutrinos como uma “partícula fantasma” porque nunca interagem com outra matéria.

Este é o desafio internacional karlsruhe TRtio nO experimento de eutrino (KATRIN) no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) com parceiros de seis países é o medidor de neutrinos mais sensível do mundo. Ele usa o decaimento beta do trítio, um isótopo de hidrogênio instável, para determinar a massa de um neutrino através da distribuição de energia dos elétrons liberados no processo de decaimento. Isso requer um grande esforço técnico: o experimento de 70 metros inclui a fonte de trítio mais densa do mundo, bem como um espectrômetro gigante para medir a energia dos elétrons de decaimento com precisão sem precedentes.

Espectrômetro Principal de Catherine

Montagem de eletrodos no espectrômetro principal do experimento KATRIN. Crédito: 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 funciona como o relógio perfeito”, entusiasma-se Guido Drexlin (KIT), líder do projeto e um dos palestrantes envolvidos no 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.”

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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.

KATRIN Experiment Setup

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.”

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Medições adicionais devem melhorar a sensibilidade

Os porta-vozes e coordenadores de análise do KATRIN estão muito otimistas em relação ao futuro: “Medidas adicionais de massa de neutrinos continuarão até o final de 2024. e instalando melhorias para reduzir ainda mais a taxa de fundo.”

O desenvolvimento do novo sistema detector (TRISTAN) desempenha um papel determinante nisso, permitindo que o KATRIN a partir de 2025 comece a procurar neutrinos “estéreis” com massas na faixa de quiloelétron-volts, um candidato à misteriosa matéria escura no universo. que já se manifestou em muitas observações astrofísicas e cosmológicas, mas sua natureza física-partícula ainda é desconhecida.

Referência: “Medição direta da massa de neutrinos com sensibilidade sub-eV” 14 de fevereiro de 2022 Disponível aqui. Natureza Física.
DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1

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