A fuga dos Neutrinos... e como "resolvemos" esse problema?

Histórico

A história dos neutrinos está intimamente ligada à resolução de anomalias em medições. Começou com a sua proposição, na década de 1930, por Wolfgang Pauli, como uma tentativa desesperada para salvar a conservação da energia e do momento angular no decaimento beta. Passou pela descoberta de sua massa e da oscilação entre os três sabores como solução para o Problema dos Neutrinos Solares, uma discrepância entre o fluxo de neutrinos solares previsto teoricamente a partir da luminosidade solar e o medido experimentalmente. Até que em meados da década de 2010, anomalias observadas no espectro de antineutrinos emitidos por reatores nucleares fomentaram a hipótese da existência de sabores adicionais de neutrinos, os famigerados neutrinos estéreis.

A anomalia dos antineutrinos de reatores corresponde a um déficit de cerca de 6% na taxa de detecção de antineutrinos, quando comparadas com as previsões teóricas. O desaparecimento de antineutrinos como uma função da distância percorrida a partir do reator corresponde à fenomenologia esperada do mecanismo de oscilação. Em particular, a oscilação para um novo sabor de neutrino poderia explicar essa discrepância. Contudo, devido aos vínculos impostos pelo setor eletrofraco do modelo padrão, tais neutrinos não poderiam interagir através da interação fraca. Além disso, para serem compatíveis com os dados de neutrinos já coletados, sua massa deveria ser da ordem de 1 eV, cerca de 500 vezes menor do que a massa do elétron. Rendendo-lhes, pois, o nome de neutrinos estéreis.

O Experimento

O experimento STEREO (Search for Sterile Reactor Neutrino Oscillations, algo como busca por oscilações estéreis de neutrinos em reatores) foi desenvolvido para investigar a possível oscilação de neutrinos advindos de um reator nuclear em neutrinos estéreis leves, através da medição do espectro energético dos antineutrinos produzidos pelo decaimento beta no processo da fissão do Urânio-235. O fluxo de antineutrinos resultante é simultaneamente intenso e com um sabor bem determinado, permitindo, pois, a determinação de suas propriedades com precisão. Não à toa, reatores nucleares têm assumido um papel central no entendimento dessas elusivas partículas, contribuindo, como uma alternativa a bombas atômicas, para o seu descobrimento em 1956.

O detector do STEREO está instalado a 10 metros do reator de pesquisa do Instituto Laue-Langevin (ILL), em Grenoble, na França, que tem uma potência térmica de 58MW. Para detectar os antineutrinos produzidos pelo reator, o detector foi preenchido com 1800 litros de um cintilador orgânico dopado com gadolínio. O cintilador captura os antineutrinos através do decaimento beta inverso, ou seja,

Reação de um antineutrino do elétron + um próton resultando num nêutron + um pósitron.

O aniquilamento do pósitron produzido cria, então, um sinal de luz que é detectado por 48 tubos fotomultiplicadores. Um segundo sinal é produzido pelo neutron.

Como a distância de oscilação esperada para antineutrinos leves é de cerca de 2 metros entre um máximo e um mínimo, o detector foi dividido em seis células idênticas, cada uma fornecendo uma medição independente do espectro energético dos antineutrinos. Ao comparar os espectros em função da distância ao reator, é possível detectar a oscilação sem depender de nenhuma previsão teórica do espectro de emissão.

Ilustração do detector em proximidade do núcleo do reator, exibindo as 6 células idênticas empregadas na medição do espectro, os foto-capturadores e alguns dos dispositivos de blindagem. No inset temos as distorções espectrais esperadas na primeira e última célula na presença de oscilações relativas a neutrinos estéreis.

Entretanto, para se detectar partículas tão fracamente interagentes como os antineutrinos, o detector precisa ser extremamente sensível. Isso, por sua vez, ocasiona um problema técnico relacionado aos ruídos ambientais, como a radiação cósmica ou a radioatividade relacionada com outros experimentos realizados nas imediações. Para tanto, o detector foi blindado com diversas camadas de chumbo e polietileno, com cerca de 65 toneladas. Um detector adicional, colocado sobre o detector principal, foi usado para identificar múons cósmicos, que constituem uma das principais fontes de sinais espúrios que poderiam atrapalhar a detecção dos antineutrinos.

Com todo esse cuidado, o STEREO foi capaz de detectar em média 394 antineutrinos por dia.

Neutrinos Estéreis: "não tem esse sabor para você, não".

Em janeiro de 2023, a colaboração STEREO publicou um artigo na Nature com a análise de todos os 107.558 eventos detectados entre outubro de 2017 e novembro de 2020. Os resultados indicam um desvio pronunciado das previsões teóricas, ao mesmo tempo que excluem a possibilidade da existência de um neutrino estéril com massa em torno de 1 eV, com 95% de confiança. Conclusão corroborada pelas colaborações Neutrino-4 (Rússia), NEOS (Japão) e RENO (Coréia do Sul). Uma possível explicação para tal discrepância seria, então, um viés de normalização no espectro beta da fissão do Urânio-235.

Espaço de parâmetros relativos à oscilação entre neutrinos estéreis e ativos, em que sin2(2θee) corresponde à amplitude de oscilação e Δ𝑚241, à frequência de oscilação. A região à direita das curvas contínuas está excluída com 95% de confiança. Esse resultado rejeita o domínio de existência do neutrino estéril como uma explicação para a anomalia dos antineutrinos de reatores, indicado pela região cinza.

Bônus: o espectro de antineutrinos

Por outro lado, a precisão dos detectores em conjunção com o controle acurado da potência do reator permitiram utilizar os dados coletados para estudar detalhadamente o espectro dos antineutrinos a partir da fissão do Urânio-235. Em particular, como os espectros medidos por cada uma das seis células são compatíveis entre si, foi possível combiná-los para obter o espectro correspondente ao maior conjunto de dados de antineutrinos oriundos da fissão do Urânio-235 em um único experimento. Resultado que, por si só, já representa um grande avanço para a comunidade, pois pode ser utilizado como referência para experimentos futuros de alta precisão.

a) O espectro de energia de antineutrinos oriundos da fissão do Urânio-235 (pontos pretos) e sua comparação com o modelo de Huber (azul).

Além disso, quando comparado com as previsões teóricas do modelo de Huber, esse resultado deixa evidente o déficit, que não pode ser explicado por neutrinos estéreis. Uma possível solução para essa discrepância envolve corrigir a intensidade dos decaimentos beta envolvidos no decaimento dos produtos da fissão. Contudo, obter esses dados experimentalmente é algo muito complicado, em virtude da alta densidade de estados e da complexidade das cascatas fotônicas associadas. Consequentemente, as bases de dados nucleares tendem a subestimar a contribuição de transições beta de baixa energia.

Perspectivas...

Ao rejeitarem a hipótese de neutrinos estéreis leves, os resultados da colaboração STEREO renovam as forças do modelo padrão de partículas elementares, que continua como uma das mais bem sucedidas teorias já formuladas.

Por outro lado, o interesse no estudo de oscilações de curto comprimento de onda (ou alto Δ𝑚241), uma região do espaço de parâmetros fora da faixa operacional do experimento STEREO, segue forte, em virtude dos resultados do experimento BEST, que confirmaram a anomalia do gálio (que discutimos no Mamucast! S03E03).

Finalmente, o espectro obtido pela colaboração STEREO será de grande importância tanto para a entendimento da hierarquia de massa dos neutrinos, quanto para os fenômenos envolvidos durante o desligamento de um reator nuclear!

Referências

The STEREO Collaboration. STEREO neutrino spectrum of 235U fission rejects sterile neutrino hypothesis. Nature 613, 257–261 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05568-2

Buck, C.; Gramlich, B.; Lindner, M.; Roca, C.; Schoppmann, S. (2019). "Production and properties of the liquid scintillators used in the STEREO reactor neutrino experiment". Journal of Instrumentation. 14 (1): P01027. arXiv:1812.02998. Bibcode:2019JInst..14P1027B. doi:10.1088/1748-0221/14/01/P01027. S2CID 119425357.

Texto por: Gabrielle Weber

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