Pergunte a Ethan: Os neutrinos sempre viajam quase na velocidade da luz?

Detectores de neutrinos, como o usado na colaboração BOREXINO aqui, geralmente têm um tanque enorme que serve como alvo para o experimento, onde uma interação de neutrinos produzirá partículas carregadas em movimento rápido que podem ser detectadas pelos tubos fotomultiplicadores circundantes no termina. No entanto, neutrinos de movimento lento não podem produzir um sinal detectável dessa maneira. (COLABORAÇÃO INFN / BOREXINO)



Se eles têm massa, então por que não vemos os lentos?


Durante décadas, o neutrino esteve entre as partículas cósmicas mais intrigantes e evasivas. Demorou mais de duas décadas desde quando foi previsto até quando finalmente foi detectado, e eles vieram com um monte de surpresas que os tornam únicos entre todas as partículas que conhecemos. Eles podem mudar o sabor de um tipo (elétron, mu, tau) para outro. Todos os neutrinos sempre têm um spin para a esquerda; todos os anti-neutrinos sempre têm um giro para a direita. E todos os neutrinos que já observamos se movem a velocidades indistinguíveis da velocidade da luz. Mas deve ser assim? Isso é o que Apoiador do Patreon Laird Whitehill quer saber, perguntando:



Eu sei que os neutrinos viajam quase à velocidade da luz. Mas como eles têm massa, não há razão para que eles não possam viajar a qualquer velocidade. Mas [você deu a entender] sua massa determina que eles devem viajar quase na velocidade da luz.



Mas a luz viaja a uma velocidade constante. Mas qualquer coisa com massa pode viajar a qualquer velocidade.

Então, por que vemos apenas neutrinos viajando a velocidades consistentes com a velocidade da luz? É uma pergunta fascinante. Vamos mergulhar.



De acordo com o Modelo Padrão, os léptons e antiléptons devem ser partículas separadas e independentes umas das outras. Mas os três tipos de neutrinos se misturam, indicando que devem ser massivos e, além disso, que neutrinos e antineutrinos podem de fato ser a mesma partícula um do outro: os férmions de Majorana. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)



O neutrino foi proposto pela primeira vez em 1930, quando um tipo especial de decaimento – o decaimento beta – parecia violar duas das leis de conservação mais importantes de todas: a conservação da energia e a conservação do momento. Quando um núcleo atômico decaiu dessa maneira, ele:

  • aumentado em número atômico em 1,
  • emitiu um elétron,
  • e perdeu um pouco de massa de repouso.

Quando você soma a energia do elétron e a energia do núcleo pós-decaimento, incluindo toda a energia da massa de repouso, sempre foi um pouco menor que a massa de repouso do núcleo inicial. Além disso, quando você mediu o momento do elétron e o núcleo pós-decaimento, ele não correspondeu ao momento inicial do núcleo pré-decaimento. Ou energia e momento estavam sendo perdidos, e essas leis de conservação supostamente fundamentais não eram boas, ou havia uma partícula adicional até então não detectada sendo criada que carregava esse excesso de energia e momento.



Ilustração esquemática do decaimento beta nuclear em um núcleo atômico maciço. O decaimento beta é um decaimento que prossegue através das interações fracas, convertendo um nêutron em um próton, elétron e um neutrino anti-elétron. Antes que o neutrino fosse conhecido ou detectado, parecia que tanto a energia quanto o momento não eram conservados nos decaimentos beta. (WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD)

Levaria aproximadamente 26 anos para que essa partícula fosse detectada: o neutrino indescritível. Embora não possamos ver esses neutrinos diretamente – e ainda não podemos – podemos detectar as partículas com as quais colidem ou reagem, fornecendo evidências da existência do neutrino e nos ensinando sobre suas propriedades e interações. Há uma infinidade de maneiras pelas quais o neutrino se mostrou para nós, e cada uma nos fornece uma medida independente e restrição de suas propriedades.



Medimos neutrinos e antineutrinos produzidos em reatores nucleares.



Medimos os neutrinos produzidos pelo Sol.

Medimos neutrinos e antineutrinos produzidos por raios cósmicos que interagem com nossa atmosfera.



Medimos neutrinos e antineutrinos produzidos por experimentos com aceleradores de partículas.

Medimos neutrinos produzidos pela supernova mais próxima de ocorrer no século passado: SN 1987A .



E, nos últimos anos, temos até mediu um neutrino vindo do centro de uma galáxia ativa — um blazar — debaixo do gelo na Antártida.

O remanescente da supernova 1987a, localizada na Grande Nuvem de Magalhães, a cerca de 165.000 anos-luz de distância. Foi a supernova observada mais próxima da Terra em mais de três séculos, e os neutrinos que chegaram dela vieram em uma explosão que durou cerca de 10 segundos: equivalente ao tempo em que se espera que os neutrinos sejam produzidos. (NOEL CARBONI & THE ESA/ESO/NASA PHOTOSHOP FITS LIBERATOR)

Com todas essas informações combinadas, aprendemos uma quantidade incrível de informações sobre esses neutrinos fantasmagóricos. Alguns fatos particularmente relevantes são os seguintes:

  • Todos os neutrinos e antineutrinos que já observamos se movem em velocidades tão rápidas que são indistinguíveis da velocidade da luz.
  • Neutrinos e antineutrinos vêm em três sabores diferentes: elétron, mu e tau.
  • Todo neutrino que já observamos é canhoto (se você apontar o polegar na direção do movimento, os dedos da mão esquerda se curvam na direção do giro, ou momento angular intrínseco), e todo anti-neutrino é destro .
  • Neutrinos e antineutrinos podem oscilar, ou mudar de sabor, de um tipo para outro quando passam pela matéria.
  • E, no entanto, neutrinos e antineutrinos, apesar de parecerem se mover na velocidade da luz, devem ter uma massa de repouso diferente de zero, caso contrário esse fenômeno de oscilação de neutrinos não seria possível.

Se você começar com um neutrino do elétron (preto) e permitir que ele viaje pelo espaço vazio ou pela matéria, ele terá uma certa probabilidade de oscilar, algo que só pode acontecer se os neutrinos tiverem massas muito pequenas, mas diferentes de zero. Os resultados dos experimentos de neutrinos solares e atmosféricos são consistentes entre si, mas não com o conjunto completo de dados de neutrinos, incluindo neutrinos da linha de luz. (WIKIMEDIA COMMONS USER STRAIT)

Neutrinos e antineutrinos vêm em uma ampla variedade de energias, e as chances de um neutrino interagir com você aumentam com a energia de um neutrino . Em outras palavras, quanto mais energia seu neutrino tiver, maior a probabilidade de interagir com você. Para a maioria dos neutrinos produzidos no Universo moderno, através de estrelas, supernovas e outras reações nucleares naturais, levaria cerca de um ano-luz de chumbo para parar aproximadamente metade dos neutrinos disparados contra ele.

Todas as nossas observações, combinadas, nos permitiram tirar algumas conclusões sobre a massa de repouso de neutrinos e antineutrinos. Primeiro, eles não podem ser zero. Os três tipos de neutrino quase certamente têm massas diferentes um do outro, onde o mais pesado que um neutrino pode ser é cerca de 1/4.000.000 da massa de um elétron, a próxima partícula mais leve. E através de dois conjuntos independentes de medições - da estrutura em grande escala do Universo e da luz remanescente do Big Bang - podemos concluir que aproximadamente um bilhão de neutrinos e antineutrinos foram produzidos no Big Bang para cada próton no Universo hoje.

Se não houvesse oscilações devido à interação da matéria com a radiação no Universo, não haveria oscilações dependentes da escala vistas no agrupamento de galáxias. As próprias oscilações, mostradas com a parte não oscilante subtraída (abaixo), dependem do impacto dos neutrinos cósmicos teorizados como presentes no Big Bang. A cosmologia padrão do Big Bang corresponde a β=1. Observe que se houver uma interação matéria escura/neutrino presente, a escala acústica pode ser alterada. (D. BAUMANN ET AL. (2019), FÍSICA DA NATUREZA)

É aqui que reside a desconexão entre teoria e experimento. Em teoria, porque os neutrinos têm uma massa de repouso diferente de zero, deveria ser possível para eles desacelerar para velocidades não relativísticas. Em teoria, os neutrinos que sobraram do Big Bang já deveriam ter diminuído para essas velocidades, onde eles só estarão se movendo a algumas centenas de km/s hoje: lentos o suficiente para que já tenham caído em galáxias e aglomerados de galáxias. , constituindo aproximadamente ~ 1% de toda a matéria escura no Universo.

Mas experimentalmente, simplesmente não temos a capacidade de detectar diretamente esses neutrinos lentos. Sua seção transversal é literalmente milhões de vezes pequena demais para ter a chance de vê-los, pois essas pequenas energias não produziriam recuos perceptíveis pelo nosso equipamento atual. A menos que possamos acelerar um detector de neutrinos moderno a velocidades extremamente próximas à velocidade da luz, esses neutrinos de baixa energia, os únicos que deveriam existir em velocidades não relativísticas, permanecerão indetectáveis.

Um evento de neutrinos, identificável pelos anéis de radiação Cherenkov que aparecem ao longo dos tubos fotomultiplicadores que revestem as paredes do detector, mostra a metodologia bem-sucedida da astronomia de neutrinos. Esta imagem mostra vários eventos e faz parte do conjunto de experimentos que abre caminho para uma maior compreensão dos neutrinos. (COLABORAÇÃO SUPER KAMIOKANDE)

E isso é lamentável, porque detectar esses neutrinos de baixa energia – aqueles que se movem lentamente em comparação com a velocidade da luz – nos permitiria realizar um teste importante que nunca fizemos antes. Imagine que você tem um neutrino e está viajando atrás dele. Se você olhar para este neutrino, você o medirá movendo-se para a frente: para a frente, à sua frente. Se você for medir o momento angular do neutrino, ele se comportará como se estivesse girando no sentido anti-horário: o mesmo que se você apontasse o polegar da mão esquerda para a frente e observasse seus dedos se enrolarem em torno dele.

Se o neutrino sempre se movesse na velocidade da luz, seria impossível se mover mais rápido que o neutrino. Você nunca, não importa quanta energia você coloque em si mesmo, será capaz de ultrapassá-lo. Mas se o neutrino tiver uma massa de repouso diferente de zero, você poderá se impulsionar para se mover mais rápido do que o neutrino está se movendo. Em vez de vê-lo se afastar de você, você o vê se mover em sua direção. E, no entanto, seu momento angular teria que ser o mesmo, no sentido anti-horário, o que significa que você teria que usar seu certo mão para representá-lo, em vez de sua esquerda.

Se você pegar um neutrino ou antineutrino se movendo em uma direção específica, descobrirá que seu momento angular intrínseco exibe rotação no sentido horário ou anti-horário, correspondendo a se a partícula em questão é um neutrino ou um antineutrino. Se os neutrinos destros (e antineutrinos canhotos) são reais ou não é uma questão sem resposta que pode desvendar muitos mistérios sobre o cosmos. (HIPERFÍSICA / R NAVE / UNIVERSIDADE DO ESTADO DA GEÓRGIA)

Este é um paradoxo fascinante. Parece indicar que você poderia transformar uma partícula de matéria (um neutrino) em uma partícula de antimatéria (um antineutrino) simplesmente alterando seu movimento em relação ao neutrino. Alternativamente, é possível que realmente existam neutrinos destros e antineutrinos canhotos, e que nunca os vimos por algum motivo. É uma das maiores questões em aberto sobre neutrinos, e a capacidade de detectar neutrinos de baixa energia – aqueles que se movem lentamente em comparação com a velocidade da luz – responderia a essa pergunta.

Mas não podemos fazer isso na prática. Os neutrinos de menor energia que já detectamos têm tanta energia que sua velocidade deve ser, no mínimo, 99,99999999995% da velocidade da luz, o que significa que eles não podem se mover mais devagar que 299.792.457,99985 metros por segundo. Mesmo em distâncias cósmicas, quando observamos neutrinos chegando de outras galáxias que não a Via Láctea, não detectamos absolutamente nenhuma diferença entre a velocidade de um neutrino e a velocidade da luz.

Quando um núcleo sofre um duplo decaimento de nêutrons, dois elétrons e dois neutrinos são emitidos convencionalmente. Se os neutrinos obedecerem a esse mecanismo de gangorra e forem partículas de Majorana, o decaimento beta duplo sem neutrinos deve ser possível. Os experimentos estão procurando ativamente por isso. (LUDWIG NIEDERMEIER, UNIVERSITAT TUBINGEN / GERDA)

No entanto, há uma chance tentadora de resolver esse paradoxo, apesar da dificuldade inerente a ele. É possível ter um núcleo atômico instável que não sofre apenas decaimento beta, mas decaimento beta duplo: onde dois nêutrons no núcleo sofrem simultaneamente decaimento beta. Observamos esse processo: onde um núcleo muda seu número atômico em 2, emite 2 elétrons, e energia e momento são perdidos, correspondendo à emissão de 2 (anti)neutrinos.

Mas se você pudesse transformar um neutrino em um antineutrino simplesmente alterando seu quadro de referência, isso significaria que os neutrinos são um novo tipo especial de partícula que existe apenas em teoria até agora: um férmion de Majorana . Isso significaria que o antineutrino emitido por um núcleo poderia, hipoteticamente, ser absorvido (como um neutrino) pelo outro núcleo, e você poderia obter um decaimento onde:

  • o número atômico do núcleo mudou por 2,
  • 2 elétrons são emitidos,
  • mas 0 neutrinos ou antineutrinos são emitidos.

Existem atualmente vários experimentos, incluindo o experimento MAJORANA , procurando especificamente por este decaimento beta duplo sem neutrinos . Se o observarmos, mudará fundamentalmente nossa perspectiva sobre o neutrino indescritível.

O experimento GERDA, uma década atrás, colocou as restrições mais fortes no decaimento beta duplo sem neutrinos na época. O experimento MAJORANA, mostrado aqui, tem o potencial de finalmente detectar esse raro decaimento. Provavelmente levará anos para que seu experimento produza resultados robustos, mas qualquer evento em excesso acima do cenário esperado seria inovador. (O EXPERIMENTO DE DECISÃO BETA DUPLO SEM NEUTRINOLES MAJORANA / UNIVERSIDADE DE WASHINGTON)

Mas, por enquanto, com a tecnologia atual, os únicos neutrinos (e antineutrinos) que podemos detectar por meio de suas interações se movem a velocidades indistinguíveis da velocidade da luz. Os neutrinos podem ter massa, mas sua massa é tão pequena que de todas as maneiras que o Universo tem para criá-los, apenas os neutrinos feitos no próprio Big Bang deveriam estar se movendo lentamente em comparação com a velocidade da luz hoje. Esses neutrinos podem estar ao nosso redor, como uma parte inevitável da galáxia, mas não podemos detectá-los diretamente.

Em teoria, no entanto, os neutrinos podem viajar a qualquer velocidade, desde que seja mais lento que o limite de velocidade cósmica: a velocidade da luz no vácuo. O problema que temos é duplo:

  • neutrinos de movimento lento têm probabilidades muito baixas de interações,
  • e essas interações que ocorrem são tão baixas em energia que não podemos detectá-las atualmente.

As únicas interações de neutrinos que vemos são as provenientes de neutrinos movendo-se indistinguivelmente perto da velocidade da luz. Até que haja uma nova tecnologia revolucionária ou técnica experimental, isso, por mais lamentável que seja, continuará sendo o caso.


Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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