Há anos, uma equipe internacional de pesquisadores se esconde nas profundezas de uma montanha no centro da Itália, coletando incansavelmente as medidas mais sensíveis do metro cúbico mais frio do universo conhecido. Os cientistas estão procurando evidências de que partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos são indistinguíveis de suas contrapartes de antimatéria. Se provada, a descoberta poderia resolver um enigma cósmico que atormenta os físicos há décadas: por que a matéria existe?
Eles sabem há muito tempo que a matéria tem um gêmeo do mal chamado antimatéria. Para cada partícula fundamental do universo, existe uma antipartícula quase idêntica ao irmão, com a mesma massa, mas com carga oposta. Quando uma partícula e uma antipartícula se encontram cara a cara, elas se aniquilam, criando energia pura.
"Temos essa aparente simetria completa da contabilidade entre matéria e antimatéria", disse Thomas O'Donnell, professor de física da Virginia Tech University, à Live Science. "Toda vez que você cria um pedaço de matéria, você também cria um pedaço de antimatéria de equilíbrio e toda vez que destrói um pedaço de matéria, deve destruir um pedaço de antimatéria. Se isso for verdade, você nunca poderá ter mais de um tipo do que o outro."
Essa simetria está em desacordo com nosso entendimento atual de como o universo começou. De acordo com a teoria do Big Bang, quando o universo se expandiu de uma singularidade infinitesimal há cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, acredita-se que quantidades iguais de matéria e antimatéria tenham surgido. No entanto, quando os astrônomos olham para o cosmos hoje, o universo é composto quase inteiramente de matéria, sem nenhum de seus gêmeos malignos à vista. Mais preocupante, se a Teoria do Big Bang estiver correta, então nós - sim, humanos - não deveríamos estar aqui hoje.
"Se a matéria e a antimatéria obedecerem totalmente a essa simetria, então, à medida que o cosmos evoluir, toda a matéria e a antimatéria se aniquilarão em fótons e não restará matéria para estrelas, planetas ou mesmo células humanas. Nós não existiríamos!" O'Donnell disse. "A grande questão então é: 'Esse esquema contábil quebrou em algum momento durante a evolução do universo?'"
Essa pergunta é o que O'Donnell e colegas colaboradores esperam responder. Nos últimos dois anos, sua equipe coletou e analisou dados do experimento CUORE (Observatório Subterrâneo Criogênico de Eventos Raros) no Laboratório Nacional Gran Sasso, na Itália, procurando a pistola de fumaça que colocaria esse mistério cósmico em evidência.
Os pequenos neutros
O CUORE, que significa "coração" em italiano, está procurando evidências de que partículas subatômicas indescritíveis chamadas neutrinos são sua própria antipartícula, o que os físicos chamam de partícula de Majorana. Os neutrinos, que passam como espectros pela maior parte da matéria, são extremamente difíceis de detectar. De fato, segundo a NASA, trilhões de neutrinos originários da fornalha nuclear ardente de nosso sol passam por nossos corpos a cada segundo.
O experimento CUORE procura a assinatura de neutrinos de Majorana aniquilando-se em um processo chamado decaimento beta duplo sem neutrinos. No decaimento beta duplo comum, dois nêutrons dentro do núcleo de um átomo se transformam simultaneamente em dois prótons, emitindo um par de elétrons e antineutrinos. Este evento nuclear, embora extremamente raro e ocorrendo apenas uma vez a cada 100 quintilhões de anos (10 ^ 20) para um átomo individual, foi observado na vida real.
No entanto, se os pesquisadores estiverem corretos e os neutrinos forem verdadeiras partículas de Majorana (elas são suas próprias antipartículas), os dois antineutrinos criados durante o decaimento poderão se aniquilar e criar um decaimento beta-beta sem neutrinos. O resultado? Apenas elétrons, que são "matéria comum". Se esse processo for verdadeiro, pode ser responsável por semear o universo primitivo com matéria comum. Observar esse processo, no entanto, é outra história. Os cientistas estimam que o decaimento beta duplo sem neutrinoless (se houver), pode ocorrer apenas uma vez a cada 10 septilhões de anos (10 ^ 25).
"O modo sem neutrinos é o que realmente queremos ver, ele quebraria as regras, criando matéria sem antimatéria", disse O'Donnell, que é membro da colaboração do CUORE. "Seria a primeira pista para uma solução real da assimetria matéria-antimatéria".
O detector CUORE procura a assinatura de energia, na forma de calor, dos elétrons criados durante o decaimento radioativo dos átomos de telúrio. O decaimento beta duplo sem neutrinoless deixaria um pico único e distinguível no espectro de energia dos elétrons.
"O CUORE é, em essência, um dos termômetros mais sensíveis do mundo", afirmou Carlo Bucci, coordenador técnico da colaboração com o CUORE, em comunicado.
Montado ao longo de uma década, o instrumento CUORE é o metro cúbico mais frio do universo conhecido. Consiste em 988 cristais em forma de cubo feitos de dióxido de telúrio, resfriados a 10 mili-kelvin ou menos 460 graus Fahrenheit (menos 273 graus Celsius), apenas um fio de cabelo acima da temperatura mais baixa que a física permitirá. Para proteger o experimento de interferências de partículas externas, como raios cósmicos, o detector é envolto em uma espessa camada de chumbo altamente puro recuperada de um naufrágio romano de 2.000 anos de idade.
Apesar das conquistas tecnológicas da equipe, encontrar o evento sem neutrinos não se mostrou uma tarefa fácil. Os pesquisadores mais do que quadruplicaram os dados coletados desde seus resultados iniciais em 2017, representando o maior conjunto de dados já coletado por um detector de partículas desse tipo. Seus últimos resultados, publicados no banco de dados de pré-impressão arXiv, mostram que não foram encontradas evidências de decaimento beta duplo sem neutrinoless.
A colaboração ainda está determinada a caçar essa partícula de agente duplo indescritível. Seus resultados limitaram a massa esperada de um neutrino de Majorana, que eles acreditam ser pelo menos 5 milhões de vezes mais leve que um elétron. A equipe planeja atualizar o CUORE após seus cinco anos iniciais, introduzindo um novo tipo de cristal que eles esperam que melhore bastante sua sensibilidade.
"Se a história é um bom preditor do futuro, podemos estar bastante certos de que empurrar o envelope das tecnologias de detectores nos permitirá examinar os neutrinos com uma profundidade cada vez maior", disse O'Donnell. "Esperamos que descubramos o decaimento beta duplo sem neutrinoless, ou talvez algo mais exótico e inesperado."
