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Neutrinos: a razão de nós existirmos?

quarta-feira, 14 jan 2009; \03\UTC\UTC\k 03 Deixe um comentário Go to comments

Resultado recente do experimento MiniBoone aponta para uma nova fonte de violação da simetria carga-paridade (CP) na Natureza: os neutrinos. Esse novo fenômeno pode ser a explicação de porque o universo é dominado por matéria.

Assimetria matéria-antimatéria

Um dos problemas em aberto da física é explicar porque o universo é dominado por matéria ao invés de ser composto por iguais quantidades de matéria e antimatéria. Sabe-se que este é o caso por observações astronômicas. O argumento mais elementar é que o fluxo de raios cósmicos na Terra é dominado por matéria.  Outro mais elaborado é que se o universo fosse feito 50% de bolhas de matéria e 50% de bolhas de antimatéria, então a interface das bolhas deveria ter produzido uma radiação na época da transição de contato térmico para isolamento das bolhas. Isso contribuiria para a radiação gama difusa das galáxias, como calculado por Yi-Tian Gao, Floyd Stecker, Marcelo Gleiser e David Cline em 1990. Como essa contribuição de radiação gama não é observada, o universo não pode ter quantidades iguais de matéria e antimatéria. Em 1997, Andrew Cohen, Alvaro de Rújula e Sheldon Glashow mostraram que mesmo sem esse sinal da produção de raios gama, bolhas de antimatéria causam uma distorção da radiação cósmica de fundo que está excluída experimentalmente.

É possível extrair um valor exato para a quantidade de excesso de matéria sobre anti-matéria se aceitarmos o (bem-sucedido) modelo da nucleossíntese primordial. Nesse caso, a radiação cósmica de fundo dá o seguinte valor para o excesso do número de bárions sobre antibárions por unidade de densidade de entropia por partícula s:

Y_\text{obs} = (n_\text{B} - n_{\bar{\text{B}}})/s = 8.7(3) \times 10^{-11} \; . (1)

No Modelo Padrão há uma assimetria matéria-antimatéria devida tanto a violação dos números leptônicos e bariônicos causada por um efeito quântico chamado de anomalia, como pela violação CP da força nuclear fraca. Começando com um universo com quantidades iguais de matéria e antimatéria, a assimetria do Modelo Padrão gera automaticamente um excesso de matéria, porém usando os parâmetros obtidos em experimentos feitos na Terra, o excesso é de

Y_\text{MP} \sim 10^{-18}

portanto muito menor que o observado. Explicar o número (1) é o desafio da assimetria matéria-antimatéria.

Oscilação dos neutrinos

Em teorias quânticas de campo como o Modelo Padrão, violações CP podem ser parametrizadas por parâmetros de massa que fazem partículas diferentes interagirem entre si. Nos anos 60, Raymond Davis Jr e John Bahcall mostraram que os neutrinos tinham esse tipo de interação, porque parte dos neutrinos tipo elétron produzidos no Sol desaparecia no caminho até a Terra, provavelmente devido a interação direta de neutrinos tipo elétron com neutrinos tipo múon. Com a confirmação desse efeito de oscilação dos neutrinos, abriu-se uma nova porta para a origem da assimetria matéria-antimatéria.

No Modelo Padrão, os neutrinos podem naturalmente ter massa caso o neutrino seja diferente do antineutrino. No entanto, se o neutrino for igual ao antineutrino — como acontece com o fóton –, a massa só pode vir de uma interação nova. Curiosamente, por pura análise dimensional, se o neutrino for igual ao antineutrino a massa tem que ser bem pequena em comparação com a massa das partículas do Modelo Padrão (efeito conhecido como “massa de gangorra”).

Leptogênesis

No caso muito interessante do neutrino ser sua própria anti-partícula, é possível adicionar interações que violam CP entre os neutrinos. Esse tipo de interação é até previsto genericamente se quisermos unificar a força forte com a eletrofraca, o que também automaticamente requer supersimetria. Dado então esse cenário de grande unificação supersimétrica, as auto-interações dos neutrinos que violam CP propagam a diferença entre as taxas de reações de produção de matéria sobre anti-matéria no universo primordial dos neutrinos até o próton e o nêutron. O valor exato depende dos parâmetros da teoria (quantos novos neutrinos existem, qual a escala de energia exata da grande unificação e da supersimetria, a massa dessas novas partículas, etc.), entretanto com os vínculos experimentais atuais é possível que o número (1) seja obtido! Esse mecanismo de propagação da violação CP dos neutrinos para os bárions com intuito de gerar a assimetria matéria-antimatéria no universo é conhecido como leptogênesis.

MiniBoone

Tudo dito acima é razão da relevância do experimento MiniBoone (e seu sucessor projetado, o Boone), no Fermilab, que mede a oscilação de neutrinos e de anti-neutrinos do elétron. O objetivo do experimento é resolver uma contradição: os dados da oscilação de neutrinos atmosféricos e do SuperKamiokande indicam que a diferença de massa ao quadrado entre neutrinos de sabores diferentes é da ordem de 10-5-10-3 eV2, mas o experimento LSND realizado em Los Alamos obteve \Delta m^2 \sim \;\text{eV}^2. O MiniBoone repete os parâmetros experimentais do LSND, mas é um experimento diferente, com outras fontes de erros sistemáticos.

Em 2007, o MiniBoone refutou o resultado do LSND, não observando nenhuma oscilação de neutrinos com \Delta m^2 \sim \;\text{eV}^2 para um feixe de neutrinos de energias maiores que 475 MeV. Entretanto, a quantidade de neutrinos que o MiniBoone deveria medir para energias abaixo de 475 MeV, que pode ser calculada no Modelo Padrão, não foi observada! Há um excesso para baixas energias (Fig. 1) ainda inexplicado. Em 12 de dezembro de 2008, o MiniBoone publicou (que você leu primeiro aqui no Ars Physica!🙂🙂 ) na internet um gráfico preliminar (Fig. 2) para a mesma medida para os antineutrinos, onde há consistência com o Modelo Padrão.

Dados do MiniBoone para neutrinos do elétron.

Fig. 1. Dados do MiniBoone para neutrinos do elétron. Para energias < 0.5 GeV, há um excesso de neutrinos (dados em azul) em relação a previsão do Modelo Padrão (barras pretas sem ponto central). O gráfico mostra a contribuição relativa de cada processo do Modelo Padrão para o número de neutrinos assim como fontes de erros.


Dados MiniBoone para anti-neutrinos.

Fig. 2. Dados preliminares do MiniBoone para antineutrinos. Nesse caso os dados são consistentes com a previsão do Modelo Padrão.

Durante este ano, o MiniBoone espera aumentar em 50% o número de eventos para antineutrinos, o que deve diminuir as barras de incerteza da Fig. 2. Por enquanto, o que se pode dizer é que esse resultado pode ser uma flutuação estatística. Mas se os antineutrinos realmente estiverem de acordo com o Modelo Padrão enquanto os neutrinos não, teremos um possível sinal de violação CP no setor dos neutrinos — i.e. se o excesso do MiniBoone para neutrinos não for um erro sistemático. E isso permitiria extrair os parâmetros da leptogênesis e consequentemente avaliar se os neutrinos são realmente a razão pela qual o universo é dominado por matéria.

Ficaremos na expectativa…

  1. quarta-feira, 28 jan 2009; \05\UTC\UTC\k 05 às 09:16:26 EST

    Leo, eu vou fazer alguns comentários bem atrasado. Na verdade são perguntas e comentários ao mesmo tempo.🙂

    1) Quando você disse: “No Modelo Padrão, os neutrinos podem naturalmente ter massa caso o neutrino seja diferente do antineutrino. No entanto, se o neutrino for igual ao antineutrino — como acontece com o fóton –, a massa só pode vir de uma interação nova.

    A massa dos neutrinos de Majorana vem de um operador efetivo de dimensão 5, que não é renormalizável, mas acho que não dá pra dizer que é uma nova interação, o grupo de calibre ainda é o mesmo, não?

    2) Existem modelos que relacionam Leptogênesis com Bariogênesis, mas acho que dá pra dizer que são problemas distintos, com possíveis soluções distintas, não? A violação de CP na matriz CKM deve ser bem diferente da matriz PMNS.

    Tudo que eu via até a pouco tempo era dados de bariogênesis, mas modelos falando tanto em bariogênesis como leptogênesis, não lembro ter visto nenhum dado de leptogênesis antes, acho que esse do MiniBoone deve ser o primeiro.

    3) O detector Angra não deve medir essa violação de CP também? Seria interessante não apenas melhorarem o dados do MiniBoone, mas também esperar os primeiros dados do Angra.🙂

    P.S.: Ah, e parabéns pelo post, vou ler mais sobre isso, e talvez faça mais algumas perguntas ou comentários mais tarde.🙂

  2. Leonardo
    quarta-feira, 28 jan 2009; \05\UTC\UTC\k 05 às 10:28:42 EST

    Leandro, estava esperando os seus comentários ansiosamente! Sabia que você ia ter mais coisas para dizer🙂

    1) Sim, o grupo de calibre é o mesmo. No entanto, quando eu digo “nova interação” eu imagino que essa massa de dimensão 5 está lá porque há uma nova partícula X que acopla com o neutrino e o Higgs que quando integrada dá o operador de dimensão 5. A massa dessa partícula é o Msw.

    2) O problema é o mesmo: gerar o número certo da assimetria matéria-antimatéria, as soluções são diferentes. P.ex. o Modelo Padrão tem bariogênesis porque a violação de B e CP gera a assimetria, embora com um valor pequeno. Nesse artigo do Mark Trodden e do Antonio Riotto eles esquematizam o cálculo relevante. Em uma situação ideal em que você teria muita precisão nesses cálculos, você colocaria Obs = MP + Outras fontes, onde Outras fontes vão ser dominantes; talvez outras fontes sejam tanto leptogênesis quanto bariogênesis de GUTs supersimétricas. São mecanismos diferentes, mas todos podem contribuir para a assimetria antes da BBN. (Os nomes são um pouco enganadores; esses mecanismos *não são* de formação de bárions e léptons no mesmo sentido que a BBN é o mecanismo da produção dos elementos químicos! — não é nada surpreendente, uma vez que não dá para calcular analiticamente até o momento na QCD como se formam os bárions partindo dos quarks e gluons)

    3) Não sei nada sobre isso, explica ai!🙂

  3. sábado, 31 jan 2009; \05\UTC\UTC\k 05 às 14:58:09 EST

    Leo, eu não sei muito sobre o detector de neutrino de Angra, ainda não li nada sobre isso, apenas vi seminários que mencionavam ele e conversei um pouco com professores que estão envolvidos nesse projeto. O prof. Marcelo Leigui e o prof. Pietro Chimenti, ambos da UFABC estão envolvidos nesse projeto, e eu ouvi do prof. Marcelo Leigui que o objetivo principal do detector é medir o ângulo de mistura \theta_{13}, e deve medir também a fase de violação de CP dos neutrinos.

    Quando eu tiver mais informações sobre esse projeto eu posto aqui.

    • orlando peres
      sábado, 18 abr 2009; \16\UTC\UTC\k 16 às 08:11:58 EST

      oi Leandro e Leo

      o experimento Angra assim como qualquer outro experimento com reatores nucleares nao pode medir a fase de violacao CP. Estes experimentos medem a probabilidade de sobrevivencia de neutrinos eletronicos, neutrino eletronico indo a neutrino eletronico.

      Iato vem do fato que a probabilidade de sobrevivencia depende apenas do modulo quadrado dos elementos da matriz PMNS, enquantro que a probabilidade de conversao depende da fase relativa, e portanto da fase de violacao CP.

      esta caracteristica eh um dos pontos fortes do experimento porque assim, podem medir o angulo de mistura independende da fase. em outros experinmentos que querem medir a probabilidade de conversao, esta depende de dois parametros completamnete desconhecidos. alem disto nao sabemos se o neutrino mais pesado esta misturado mais com o neutrino do muon ou com o neutrino do tau. isto introduz uma degenesrencia de parametros muito complicada de ser quebrada.

      abracos Orlando

  4. Fernanda
    terça-feira, 5 maio 2009; \19\UTC\UTC\k 19 às 14:53:21 EST

    Eu sei que essa pergunta pode parecer,sem sentido… mas preciso fazê-la:
    É possível ver um neutrino a olho nú?

    Há algum tipo de percepção humana capaz de identificar um neutrino?

    obrigada!

    • Leonardo
      terça-feira, 5 maio 2009; \19\UTC\UTC\k 19 às 18:53:08 EST

      Olá Fernanda,

      Não, não é possível enxergar um neutrino com olho humano, assim como não é possível enxergar um átomo com os olhos.

  5. Fernanda
    terça-feira, 5 maio 2009; \19\UTC\UTC\k 19 às 21:00:21 EST

    Obrigada pela resposta, Leonardo. Contudo ainda tenho algumas dúvidas, será que vc tem um e-mail para que possamos nos comunicar não publicamente? é que minha próxima pergunta, ultrapassa as barreiras do científico. Isso não é uma brincadeira!!
    Aguardo uma resposta, Obrigada!

    • Leonardo
      quarta-feira, 6 maio 2009; \19\UTC\UTC\k 19 às 08:46:34 EST

      Oi Fernanda,

      tudo bem, você pode mandar uma mensagem para quantumfield@gmail.com🙂

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