Experimento ‘DUNE’ de 800 milhas de comprimento pode revelar as dimensões ocultas do universo
Durante mais de um século, os cientistas ficaram fascinados pela possibilidade de que dimensões espaciais ocultas e minúsculas pudessem estar a influenciar a física do nosso familiar mundo tridimensional. Apesar de décadas de pesquisas experimentais, no entanto, ainda não existem provas concretas destas dimensões adicionais. Agora, um estudo recente propõe uma forma de avançar nesta pesquisa: usar o próximo Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) para sondar estas dimensões ocultas através do comportamento dos neutrinos.
Os neutrinos estão entre as partículas mais evasivas do universo, o que lhes valeu o apelido de “partículas fantasmas.” Existem três tipos conhecidos – ou “sabores” – de neutrinos, cada um com uma massa bilhões de vezes menor que a de um elétron. Essas partículas são notáveis em sua capacidade de se transformar – ou oscilar – em sabores diferentes à medida que viajam pelo espaço, mesmo sem interagir com outras partículas.
Estudando neutrinos com DUNE
DUNE é um próximo experimento de oscilação de neutrinos baseado em Illinois e Dakota do Sul. “Neste experimento, os neutrinos são gerados por um acelerador de partículas no Fermilab [in Illinois]percorra uma distância de 1.300 quilômetros [800 miles]e são observados usando um enorme detector subterrâneo em Dakota do Sul,” Mehedi Masudprofessor da Universidade Chung-Ang, na Coreia do Sul, e coautor do estudo, disse ao Live Science por e-mail.
A configuração experimental é ideal para estudar oscilações de neutrinos. Os neutrinos criados nas colisões do Fermilab – principalmente os neutrinos do múon (um dos três sabores) – atravessarão a Terra para chegar ao detector de Dakota do Sul. Ao longo do caminho, espera-se que algumas dessas partículas se transformem nos outros dois sabores: neutrinos do elétron e neutrinos do tau.
Ao observar como os diferentes sabores evoluem durante a sua viagem, os cientistas do DUNE esperam desvendar várias questões fundamentais na física dos neutrinos, tais como a hierarquia das massas dos neutrinos, os parâmetros precisos que governam a oscilação e o papel que os neutrinos podem ter desempenhado na criação da matéria-antimatéria. desequilíbrio no universo.
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O estudo, publicado no Jornal de Física de Altas Energias em novembro, propõe que o comportamento enigmático dos neutrinos poderia ser explicado se, além das conhecidas três dimensões do espaço, existissem dimensões espaciais extras na escala dos micrômetros (milionésimos de metro). Embora minúsculas para os padrões cotidianos, essas dimensões são notavelmente grandes em comparação com as escalas do femtômetro (um quatrilionésimo de metro) típicas de partículas subatômicas.
“A teoria das grandes dimensões extras, primeiro proposto por Arkani-Hamed, Dimopoulos e Dvali em 1998, sugere que nosso espaço tridimensional familiar está incorporado em uma estrutura de dimensão superior” de quatro ou mais dimensões, explicou Masud. “A principal motivação para esta teoria é abordar por que gravidade é muito mais fraco do que as outras forças fundamentais da natureza. Além disso, a teoria das grandes dimensões extras oferece uma explicação potencial para a origem das minúsculas massas de neutrinos, um fenômeno que permanece inexplicável dentro do Modelo Padrão de Física de Partículas.”
Se existirem dimensões extras, elas poderiam alterar sutilmente as probabilidades de oscilação dos neutrinos de maneiras detectáveis pelo DUNE, de acordo com os autores do estudo. Essas distorções podem aparecer como uma ligeira supressão das probabilidades de oscilação esperadas e como pequenas “manobras” oscilatórias em energias mais altas de neutrinos.
Neste estudo, os autores consideraram o caso de uma única dimensão adicional. Os efeitos de uma dimensão extra são determinados principalmente pelo seu tamanho. Esta dependência cria uma oportunidade para os investigadores investigarem a presença de tais dimensões, analisando como neutrinos interagir com a matéria dentro do detector. A dimensão extra influencia as probabilidades de oscilação dos neutrinos, que, por sua vez, podem revelar pistas valiosas sobre a sua existência e propriedades potenciais.
“Simulamos vários anos de dados de neutrinos do experimento DUNE usando modelos computacionais”, disse Masud. “Ao analisar os efeitos de baixa e alta energia de grandes dimensões extras nas probabilidades de oscilação de neutrinos, avaliamos estatisticamente a capacidade do DUNE de restringir o tamanho potencial dessas dimensões extras, assumindo que elas existem na natureza.”
A análise da equipe sugere que o experimento DUNE será capaz de detectar uma dimensão extra se seu tamanho for em torno de meio mícron (um milionésimo de metro). O DUNE está actualmente em construção e espera-se que comece a recolha de dados por volta de 2030. Após vários anos de operação, os dados acumulados serão provavelmente suficientes para uma análise abrangente da teoria das grandes dimensões extras. A equipe espera que os resultados desta análise estejam disponíveis daqui a cerca de uma década.
Além disso, pensam que, no futuro, a combinação de dados do DUNE com outros métodos experimentais — tais como experiências com colisores ou observações astrofísicas e cosmológicas — aumentará a capacidade de investigar as propriedades de dimensões extras com maior precisão e exatidão.
“No futuro, a incorporação de dados de outros tipos de dados poderá restringir ainda mais esses limites superiores, tornando mais plausível a descoberta de grandes dimensões extras, caso existam na natureza”, disse Masud. “Além de ser um caminho excitante para uma nova física, a presença potencial de grandes dimensões extras também poderia ajudar o DUNE a medir incógnitas padrão na física dos neutrinos com mais precisão, livre da influência de efeitos não contabilizados.”
