Neutrinos podem explicar um dos maiores mistérios da física

O conceito de matéria e antimatéria é conhecido por todo fã de ficção científica, em que mundos paralelos, com cópias inversas do que somos, já fez a alegria de cada trekker deste universo: uma é igual à outra, mas com algumas propriedades físicas opostas, como carga elétrica (elétron, com carga negativa, e seu semelhante antimatéria pósitron, carregado positivamente).

A física diz que as duas são a criação primeira do Big Bang, há 13,8 bilhões de anos, surgindo em quantidades iguais depois da grande explosão que formou nosso universo. O que não se consegue entender é por que, hoje, há mais matéria do que antimatéria — se as quantidades fossem iguais, elas se aniquilariam, convertendo-se em energia pura; seríamos uma grande sopa de fótons e matéria escura.

Esse excesso de matéria sobre antimatéria se resume a uma única partícula por bilhão de pares de matéria/antimatéria, mas é o suficiente para estarmos aqui.

Apesar de terem sido formados juntas pelo Big Bang, há mais matéria do que antimatéria no universo.

A pista está nos neutrinos

O pretenso desequilíbrio vem sendo pensado desde 1956, quando os físicos nucleares Clyde Cowan e Frederick Reines descobriram os neutrinos, que são partículas subatômicas sem carga elétrica e muito difíceis de detectar porque quase não interagem com outras formas de matéria, e sua contrapartida, os antineutrinos.

Uma câmara de bolhas mostra vestígios de neutrinos durante experimento realizado em 16 de janeiro de 1978, no Acelerador Fermi, em Chicago (EUA).

Nos anos 1960, outra descoberta: quarks e antiquarks não se comportam exatamente da mesma maneira. Os indícios existiam, mas não para explicar a disparidade entre matéria e antimatéria. Em 1964, o físico russo Andrei Sakharov sugeriu que a simetria cósmica não seria perfeita, afinal, com cada componente exibindo propriedades um pouco diferentes.

Experimento subterrâneo costa a costa

É nesse conceito de desequilíbrio que pesquisadores se apoiam para tentar explicar um dos mais renitentes mistérios da física, e para isso usam as diferenças entre neutrinos e antineutrinos. O experimento, chamado de Tokai to Kamioka (ou T2K), publicado na Nature, reuniu centenas de cientistas no Complexo de Pesquisa do Acelerador de Prótons do Japão, em Tokai, na costa leste do país.

Foram disparados neutrinos no subsolo (não há nenhum problema: neutrinos passam através de tudo todo o tempo) em direção ao Super-Kamiokande, um observatório de neutrinos localizado a 295 quilômetros, na costa oeste japonesa, e cuja parte principal compõe-se de um tanque de água gigante alinhado com milhares de detectores que capturam a luz emitida quando os neutrinos interagem com a água.

O interior do Observatório de Neutrinos Super-Kamiokande, quase 1 quilômetro abaixo do Monte Ikeno, no Japão.

Foi um exercício de paciência e perseverança: levou 1 década para que o T2K conseguisse detectar 90 neutrinos e 15 antineutrinos e medisse as chances de um neutrino oscilar entre diferentes propriedades físicas durante a viagem através do Japão. O mesmo foi feito com antineutrinos.

Se matéria e antimatéria estão simetricamente em equilíbrio, as probabilidades deveriam ser as mesmas; os resultados sugerem que não são. O T2K registrou que existe uma chance mais alta de os neutrinos oscilarem entre propriedades físicas no trajeto costa a costa do que sua contrapartida.

De hipótese a teoria

Como tudo na ciência, essa experiência precisará ser replicada, e isso ainda levará alguns anos. Além disso, o resultado alcançado não satisfez o nível de confiança necessário em física de partículas (o chamado de 5-sigma ou 5s) para que os dados conseguidos sejam considerados "uma descoberta". Os resultados do T2K ganharam um 3s (2s, se a simetria matéria/antimatéria for completamente descartada).

Para chegar a 5s, os físicos terão que usar a próxima geração de detectores de neutrinos que ainda nem está em operação. Três deles devem estar funcionando em breve: o chinês Jiangmen Underground Neutrino Observatory — JUNO (2022), o Deep Underground Neutrino Experiment — DUNE, nos EUA (2025), e o Hyper-Kamiokande, que vai funcionar ao lado do irmão mais velho, o Super-Kamiokande (2027).

Neutrinos podem explicar um dos maiores mistérios da física via TecMundo