Física de Neutrinos

A física de neutrinos estuda os léptons elusivos e de interação fraca, cujas oscilações de sabor fornecem a primeira evidência laboratorial para a física além do Modelo Padrão original.

Definition

A física de neutrinos é o estudo dos neutrinos, os léptons eletricamente neutros que interagem apenas através da força fraca e da gravidade, incluindo suas oscilações de sabor, a evidência que essas oscilações fornecem para a massa de neutrino não nula e a mistura dos estados de sabor e massa dos neutrinos.

Scope

Este tópico abrange os três sabores de neutrinos, suas interações extremamente fracas e o fenômeno da oscilação de neutrinos, no qual os neutrinos mudam de sabor à medida que se propagam, implicando que os neutrinos possuem massas pequenas, mas não nulas. Ele aborda experimentos de neutrinos solares, atmosféricos, de reatores e de aceleradores, os parâmetros de mistura do setor leptônico e questões em aberto, como a escala de massa absoluta e se os neutrinos são suas próprias antipartículas.

Core questions

• Como os neutrinos mudam de sabor à medida que viajam, e o que isso revela sobre suas massas?
• Qual é a escala absoluta e a ordenação das massas dos neutrinos?
• Os neutrinos são partículas de Dirac ou Majorana, ou seja, são suas próprias antipartículas?
• Por que as massas dos neutrinos são muito menores do que as dos outros férmions?

Key concepts

• Neutrinos de elétron, múon e tau
• Acoplamento apenas por interação fraca
• Oscilação de neutrinos e mudança de sabor
• Autoestados de massa versus autoestados de sabor
• Neutrinos solares e atmosféricos
• Neutrinos de Dirac versus Majorana

Key theories

Oscilação de sabor de neutrinos

Como os estados de sabor de neutrinos são superposições quânticas de estados de massa distintos, um neutrino criado em um sabor pode ser detectado posteriormente como outro, um efeito de interferência que exige que os estados de massa sejam diferentes e, portanto, não nulos.

Matriz de mistura leptônica

A incompatibilidade entre os autoestados de sabor e massa dos neutrinos é parametrizada pela matriz de mistura de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata, o análogo leptônico da matriz de mistura de quarks, com ângulos de mistura medidos por experimentos de oscilação.

Clinical relevance

A oscilação de neutrinos, estabelecida pelos experimentos Super-Kamiokande e SNO e reconhecida com o Prêmio Nobel de 2015, é a primeira evidência clara de física além do Modelo Padrão mínimo, enquanto os neutrinos servem como sondas do Sol, supernovas e do universo primitivo e podem ajudar a explicar o excesso cósmico de matéria sobre antimatéria.

History

O neutrino foi postulado por Pauli em 1930 para resgatar a conservação de energia no decaimento beta e detectado pela primeira vez por Reines e Cowan em 1956. O déficit de neutrinos solares de longa data observado por Davis foi resolvido quando o Super-Kamiokande relatou a oscilação de neutrinos atmosféricos em 1998 e o SNO demonstrou a mudança de sabor de neutrinos solares em 2002, estabelecendo que os neutrinos têm massa e derrubando a suposição original do Modelo Padrão de neutrinos sem massa.

Debates

Natureza de Dirac versus Majorana dos neutrinos

Se os neutrinos são distintos de suas antipartículas (Dirac) ou idênticos a elas (Majorana) é uma questão não resolvida; a descoberta do decaimento beta duplo sem neutrinos estabeleceria o caso Majorana, mas nenhum sinal desse tipo foi confirmado.

Key figures

• Wolfgang Pauli
• Bruno Pontecorvo
• Raymond Davis Jr.
• Takaaki Kajita

Seminal works

• superk1998
• sno2002

Frequently asked questions

Por que os neutrinos são tão difíceis de detectar?

Os neutrinos interagem apenas através da força fraca, então eles atravessam enormes quantidades de matéria sem interagir. Detectá-los requer detectores muito grandes e bem blindados e fontes intensas de neutrinos.

As oscilações de neutrinos provam que os neutrinos têm massa?

Sim. A oscilação entre sabores só pode ocorrer se os estados de massa dos neutrinos tiverem massas diferentes e não nulas, então a observação da oscilação estabelece que pelo menos duas massas de neutrinos são não nulas.