• Começa com um estrondo

Se os neutrinos têm massa, onde estão todos os lentos?

Se você é uma partícula sem massa, deve sempre se mover na velocidade da luz. Se você tem massa, deve ir mais devagar. Então, por que nenhum neutrino é lento?

Principais conclusões

• Quando os neutrinos foram teorizados pela primeira vez, eles foram introduzidos para não ter carga e transportar energia e momento para longe de certos decaimentos nucleares.
• No entanto, quando começamos a detectá-los, eles pareciam ser completamente sem massa, sempre se movendo indistinguivelmente da velocidade da luz.
• No entanto, experimentos mais recentes revelaram que os neutrinos oscilam ou mudam de sabor, o que implica que eles devem ter massa. Então, se eles têm massa, onde estão todos os lentos?

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Por muitos anos, o neutrino esteve entre as partículas cósmicas mais enigmáticas e elusivas. Demorou mais de duas décadas desde que foi previsto pela primeira vez até quando foi finalmente detectado, e eles vieram com um monte de surpresas que os tornam únicos entre todas as partículas que conhecemos. Eles podem “mudar de sabor” de um tipo (elétron, mu, tau) para outro. Todos os neutrinos sempre têm um spin para a esquerda; todos os antineutrinos sempre têm um spin para a direita. E todos os neutrinos que já observamos se movem em velocidades indistinguíveis da velocidade da luz.

Mas deve ser assim? Afinal, se os neutrinos podem oscilar de uma espécie para outra, isso significa que eles devem ter massa. Se eles têm massa, é proibido que eles realmente se movam na velocidade da luz; eles devem se mover mais devagar. E depois de 13,8 bilhões de anos de evolução cósmica, certamente alguns dos neutrinos produzidos há muito tempo diminuíram para uma velocidade não relativística razoavelmente acessível. No entanto, nunca vimos um, fazendo-nos pensar onde estão todos os neutrinos de movimento lento? Acontece que eles provavelmente estão por aí, apenas em níveis bem abaixo do que a tecnologia atual pode detectar.

De acordo com o Modelo Padrão, os léptons e antiléptons devem ser todos separados, partículas 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: os férmions de Majorana.

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:

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

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

Ilustração esquemática do decaimento beta nuclear em um núcleo atômico massivo. O decaimento beta é um decaimento que ocorre 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.

Levaria aproximadamente 26 anos para que essa partícula fosse detectada: o esquivo neutrino. Embora não pudéssemos ver esses neutrinos diretamente – e ainda não podemos – podemos detectar as partículas com as quais eles colidem ou reagem, fornecendo evidências da existência do neutrino e nos ensinando sobre suas propriedades e interações. Há uma miríade de maneiras pelas quais o neutrino se mostra a nós, e cada uma delas nos fornece uma medida independente e uma 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 os neutrinos produzidos pela supernova mais próxima a 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, localizado na Grande Nuvem de Magalhães a cerca de 165.000 anos-luz de distância, é revelado nesta imagem do Hubble. Foi a supernova observada mais próxima da Terra em mais de três séculos, e tem o objeto mais quente conhecido, em sua superfície, atualmente conhecido no Grupo Local. Sua temperatura de superfície agora é estimada em cerca de 600.000 K, e foi a primeira fonte de neutrinos já detectada além do nosso próprio Sistema Solar. Os neutrinos que chegaram dela vieram em uma explosão com duração de cerca de 10 segundos: equivalente ao tempo que se espera que os neutrinos sejam produzidos.

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 “enrolam” na direção de seu giro ou momento angular intrínseco) e todo antineutrino é direito -mão.
• Neutrinos e antineutrinos podem oscilar, ou mudar de sabor, de um tipo para outro quando passam pela matéria.
• E ainda neutrinos e antineutrinos, apesar de parecerem se mover à velocidade da luz, devem ter uma massa de repouso diferente de zero, caso contrário, esse fenômeno de “oscilação de neutrinos” não seria possível.

Probabilidades de oscilação de vácuo para neutrinos de elétron (preto), múon (azul) e tau (vermelho) para um conjunto escolhido de parâmetros de mistura, a partir de um neutrino de elétron inicialmente produzido. Uma medição precisa das probabilidades de mistura em diferentes linhas de base de comprimento pode nos ajudar a entender a física por trás das oscilações de neutrinos e pode revelar a existência de quaisquer outros tipos de partículas que se acoplam às três espécies conhecidas de neutrinos. Se partículas adicionais (como partículas de matéria escura) transportarem energia, o fluxo geral de neutrinos mostrará um déficit.

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 sobre ele.

Todas as nossas observações, combinadas, nos permitiram tirar algumas conclusões sobre a massa de repouso de neutrinos e antineutrinos. Em primeiro lugar, eles não podem ser zero. Os três tipos de neutrino quase certamente têm massas diferentes entre si, onde o mais pesado que um neutrino pode ter 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 de escala vistas no agrupamento de galáxias. As próprias oscilações, mostradas com a parte não ondulada subtraída (abaixo), dependem do impacto dos neutrinos cósmicos teoricamente presentes pelo 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.

É aqui que reside a desconexão entre teoria e experimento. Em teoria, como os neutrinos têm uma massa de repouso diferente de zero, deve ser possível para eles desacelerar para velocidades não relativísticas. Em teoria, os neutrinos que sobraram do Big Bang já deveriam ter desacelerado a essas velocidades, onde estariam se movendo a apenas algumas centenas de km/s hoje: lentos o suficiente para que já deveriam ter caído em galáxias e aglomerados de galáxias. , constituindo aproximadamente ~1% de toda a matéria escura do Universo.

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

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

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, vai medi-lo 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.

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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, seria 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 veria 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.

A natureza não é simétrica entre partículas/antipartículas ou entre imagens espelhadas de partículas. (Ou, por falar nisso, tanto a reflexão do espelho quanto a simetria da conjugação de carga combinadas.) Antes da detecção de neutrinos, que claramente violam as simetrias do espelho mesmo sem decaimentos, já que todos os neutrinos são canhotos e todos os antineutrinos são destros , partículas fracamente decaídas ofereciam o único caminho potencial para identificar violações de simetria P.

Este é um paradoxo fascinante. Parece indicar que você pode transformar uma partícula de matéria (um neutrino) em uma partícula de antimatéria (um antineutrino) simplesmente mudando seu movimento em relação ao neutrino. Alternativamente, é possível que realmente haja neutrinos destros e antineutrinos de canhotos, e que nunca os tenhamos visto 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 realmente 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 lentamente do que 299.792.457,99985 metros por segundo. Mesmo em distâncias cósmicas, quando observamos neutrinos chegando de outras galáxias além da Via Láctea, não detectamos absolutamente nenhuma diferença entre a velocidade de um neutrino e a velocidade da luz.

Quando um núcleo experimenta 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.

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

Mas se você pudesse transformar um neutrino em um antineutrino simplesmente mudando 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 seria capaz de obter um decaimento onde:

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

Existem atualmente vários experimentos, incluindo o experimento MAJORANA , olhando especificamente para isso decaimento beta duplo sem neutrinos . Se o observarmos, isso mudará fundamentalmente nossa perspectiva sobre o esquivo neutrino.

O experimento GERDA, uma década atrás, colocou as maiores restrições ao decaimento beta duplo sem neutrinos na época. O experimento MAJORANA, cujo demonstrador é mostrado aqui, tem o potencial de finalmente detectar esse raro decaimento. Provavelmente levará anos para que o experimento produza resultados robustos, mas qualquer evento acima do esperado seria inovador.

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 produzidos 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 absolutamente 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 lentos têm probabilidades muito baixas de interações,
• e as interações que ocorrem são tão baixas em energia que não podemos detectá-las no momento.

As únicas interações de neutrinos que vemos são aquelas 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.

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