KATRIN

O KATRIN — o Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment — mede a massa do neutrino. Não por caminhos indiretos, mas diretamente: pela medição precisa de um decaimento beta.

A instalação fica no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe e fornece desde 2019 os limites superiores mais estritos do mundo.

Por que é necessária uma medição direta

A oscilação de neutrinos prova que os neutrinos possuem massa — mas ela fornece apenas diferenças de quadrados de massas, nunca valores absolutos. Sabe-se que os três estados têm pesos diferentes, mas não o quanto pesam.

A cosmologia fornece limites a partir da distribuição da matéria no universo, mas eles dependem de hipóteses de modelo.

O KATRIN segue um terceiro caminho, que dispensa tais hipóteses e se apoia apenas na conservação de energia e de momento.

O princípio

No decaimento do trítio surgem um núcleo de hélio, um elétron e um antineutrino. A energia liberada distribui-se entre o elétron e o antineutrino.

Na extremidade superior do espectro dos elétrons, onde o elétron recebe quase toda a energia, quase nada resta para o antineutrino. Se este tiver massa, é preciso então dispor ao menos da energia necessária para ela — e o espectro termina um pedacinho antes do que terminaria de outro modo.

Esse pedacinho é a grandeza procurada. Trata-se de frações de um elétron-volt diante de uma energia total de 18,6 quiloelétrons-volt — e da região em que só cerca de um decaimento em um trilhão sequer vai parar.

Usa-se trítio porque ele tem uma energia de decaimento muito baixa e uma estrutura nuclear simples. Ambas as coisas aumentam a sensibilidade.

O dispositivo

A instalação tem cerca de 70 metros de comprimento. Em uma das extremidades fica a fonte de trítio, na qual o gás flui a 30 kelvin. Na outra extremidade, um detector.

Entre as duas está o espectrômetro principal: um recipiente de vácuo de 23 metros de comprimento e 10 metros de diâmetro, pesando 200 toneladas. Ele funciona como filtro eletrostático — só passam por ele elétrons acima de uma energia ajustável. Deslocando-se esse limiar passo a passo, mede-se o espectro.

Em seu interior reina um vácuo de 10⁻¹¹ milibar, um dos melhores do mundo em um recipiente desse porte — comparável às condições do espaço próximo à Terra.

A viagem do espectrômetro

O recipiente foi construído em Deggendorf, às margens do Danúbio. Até o destino, em Karlsruhe, são cerca de 400 quilômetros em linha reta.

Por estrada não havia como fazê-lo: o tanque não passava por nenhum viaduto nem por nenhuma travessia de localidade. Assim, ele foi de navio — Danúbio abaixo, pelo Mar Negro, pelo Mediterrâneo, contornando a Península Ibérica, subindo o Canal da Mancha e descendo o Reno. Cerca de 8 600 quilômetros para 400 quilômetros em linha reta.

Os últimos metros, atravessando Leopoldshafen, foram os mais difíceis. Entre as casas restavam poucos centímetros de folga; milhares de curiosos ladearam o percurso. As imagens dessa viagem são até hoje as mais conhecidas da instalação.

Os resultados

Cada um desses números foi, no momento de sua publicação, o mais estrito do mundo. A meta da instalação situa-se em torno de 0,2 elétron-volt.

Não encontrar nada aqui não é um fracasso. Cada limite rebaixado exclui modelos — e quanto mais se aproxima da faixa que as medições de oscilação sugerem, mais estreito fica o espaço para explicações como o mecanismo seesaw.

Termos relacionados

• Massa do neutrino — a grandeza procurada
• Decaimento beta — o processo utilizado
• Mecanismo seesaw — por que ela é tão pequena
• Duplo decaimento beta — o outro acesso à massa

Fontes

• Colaboração KATRIN: Direct neutrino-mass measurement based on 259 days of KATRIN data, Science 388, 180 (2025).
• Colaboração KATRIN: Direct neutrino-mass measurement with sub-electronvolt sensitivity, Nature Physics 18, 160 (2022).