Neutrinos estéreis

Neutrinos estéreis são partículas hipotéticas: uma quarta espécie de neutrino que nem sequer participa da interação fraca. Eles seriam com isso ainda mais reservados que os neutrinos comuns — perceptíveis unicamente pelo fato de se misturarem com estes.

Detectados eles não estão. Mas há várias medições que poderiam ser explicadas por eles.

Por que exatamente três — e por que talvez não

Em 1989 mediu-se no CERN a largura de decaimento do bóson Z. Disso decorre a quantas espécies leves de neutrinos ele pode acoplar-se. O resultado foi inequívoco: três.

Essa medição, porém, só exclui uma quarta espécie se esta se comportar como as outras. Um neutrino que não se acopla de modo algum ao bóson Z permaneceria invisível. Precisamente isso significa a palavra estéril.

Uma partícula assim não participaria de nenhuma das forças conhecidas exceto a gravidade. Ela só poderia manifestar-se pela oscilação de neutrinos: um neutrino comum passaria temporariamente ao estado estéril e estaria então desaparecido para qualquer detector.

Os indícios

Várias medições independentes mostram um déficit que não se encaixa no quadro:

A anomalia do gálio. Na calibração de SAGE e GALLEX com fontes artificiais de cromo-51 e argônio-37, a taxa medida ficou de 10 a 20 por cento abaixo da calculada. O experimento sucessor BEST confirmou isso em 2022.

A anomalia dos reatores. Segundo um novo cálculo de 2011, os reatores fornecem cerca de seis por cento menos antineutrinos do que o esperado.

LSND e MiniBooNE. Dois experimentos americanos com aceleradores encontraram mais neutrinos do elétron do que o previsto — o LSND nos anos 1990, o MiniBooNE mais tarde com achado semelhante.

Chama a atenção que todos esses desvios ocorram em percursos curtos. Um neutrino estéril com uma massa na faixa de um elétron-volt atuaria exatamente ali — nos percursos longos dos experimentos estabelecidos ele já teria sido diluído na média.

Os contra-argumentos

A questão não está de modo algum decidida, e várias coisas falam em contrário.

Experimentos como MINOS+, IceCube e Daya Bay buscaram especificamente o padrão de oscilação correspondente e nada encontraram. Suas regiões de exclusão se sobrepõem ao domínio sugerido pelas anomalias — os achados, portanto, não se harmonizam entre si.

Também a cosmologia impõe limites. Uma espécie leve adicional de partículas teria acelerado a expansão do universo primitivo e alterado a formação dos elementos leves. As observações deixam pouco espaço para isso.

E, por fim, as anomalias são explicáveis individualmente. Na anomalia do gálio está em discussão a transição nuclear subjacente; na anomalia dos reatores, os espectros beta do urânio-235, que entretanto foram corrigidos.

É a situação mais insatisfatória que um campo de pesquisa pode ter: vários indícios fracos, explicáveis individualmente, mas que juntos permanecem notáveis.

A variante pesada

Ao lado da forma leve consideram-se também neutrinos estéreis pesados, com massas na faixa de quiloelétron-volt ou muito acima disso.

Tais partículas entrariam em consideração como matéria escura. E no mecanismo seesaw elas aparecem de todo modo — ali os pesados parceiros dextrógiros não são outra coisa senão neutrinos estéreis.

Nessa forma a ideia não é de modo algum exótica, mas parte integrante de uma das mais respeitadas explicações para a pequenez da massa do neutrino. A diferença está na massa: um neutrino estéril pesado seria teoricamente bem motivado, mas inalcançável; um leve seria mensurável, mas teoricamente difícil de acomodar.

Por que se continua buscando

Um neutrino estéril leve seria a primeira partícula além do Modelo Padrão que se poderia produzir em laboratório. A aposta é alta o bastante para se perseguir um desvio de alguns por cento — mesmo que a probabilidade seja pequena.

Termos relacionados

• SAGE — a anomalia do gálio
• Neutrinos de reator — a anomalia dos reatores
• Mecanismo seesaw
• Massa do neutrino

Fontes

• Colaboração BEST: Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions, Physical Review Letters 128, 232501 (2022).
• Particle Data Group: Review of Particle Physics, seção Sterile Neutrinos.