T2K, uma linha de base longa neutrino experimento de oscilação no Japão, relataram recentemente uma observação onde detectaram uma forte evidência de uma diferença entre as propriedades físicas fundamentais de neutrinos e o da contraparte correspondente da antimatéria, os antineutrinos. Esta observação sugere a explicação de um dos maiores mistérios da ciência – uma explicação para o domínio da importância no Universo sobre a antimatéria e, portanto, sobre a nossa própria existência.
A importância- assimetria de antimatéria Universo
De acordo com a teoria da Cosmologia, as partículas e suas antipartículas foram produzidas aos pares a partir da radiação durante o Big-Bang. Antipartículas são antimatérias com propriedades físicas quase iguais às de suas importância contrapartes, ou seja, partículas, exceto pela carga elétrica e propriedades magnéticas que são invertidas. No entanto, o Universo existe e é composto apenas de matéria indica que alguma simetria matéria-antimatéria foi quebrada durante o Big-Bang, por causa da qual os pares não puderam aniquilar completamente produzindo radiação novamente. Os físicos ainda estão procurando assinaturas de violação da simetria CP, o que por sua vez pode explicar a quebra da simetria matéria-antimatéria no início Universo.
A simetria CP é o produto de duas simetrias diferentes – conjugação de carga (C) e reversão de paridade (P). A conjugação de carga C, quando aplicada a uma partícula carregada, altera o sinal de sua carga, de modo que uma partícula carregada positivamente torna-se carregada negativamente e vice-versa. As partículas neutras permanecem inalteradas sob a ação de C. A simetria de inversão de paridade inverte as coordenadas espaciais da partícula sobre a qual está agindo - então uma partícula destra torna-se canhota, semelhante ao que acontece quando alguém está diante de um espelho. Finalmente, quando CP atua sobre uma partícula destra com carga negativa, ela é convertida em uma partícula canhota com carga positiva, que é a antipartícula. Por isso importância e a antimatéria estão relacionadas entre si através da simetria CP. Portanto, o CP deve ter sido violado para gerar o observado assimetria matéria-antimatéria, que foi apontado pela primeira vez por Sakharov em 1967 (1).
Como as interações gravitacionais, eletromagnéticas e também as fortes são invariantes sob a simetria CP, o único lugar para procurar violações de CP na Natureza é no caso de quarks e/ou léptons, que interagem através de interação fraca. Até agora, a violação do CP foi medida experimentalmente no setor de quarks, no entanto, é muito pequena para gerar a assimetria estimada do Universo. Portanto, compreender a violação do CP no setor leptônico é de especial interesse para os físicos entenderem a existência do Universo. A violação do CP no setor leptônico pode ser usada para explicar a assimetria matéria-antimatéria através de um processo chamado leptogênese (2).
Por que os neutrinos são importantes?
Neutrinos são as menores e massivas partículas da Natureza com carga elétrica zero. Sendo eletricamente neutro, neutrinos não podem ter interações eletromagnéticas e também não têm interações fortes. Os neutrinos têm massas minúsculas da ordem de 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), portanto a interação gravitacional também é muito fraca. O único jeito neutrinos pode interagir com outras partículas é através de interações fracas de curto alcance.
Esta propriedade de interação fraca do neutrinos, no entanto, torna-os uma sonda interessante para estudar objetos astrofísicos distantes. Embora até mesmo os fótons possam ser obscurecidos, difundidos e espalhados pela poeira, partículas de gás e radiações de fundo presentes no meio interestelar, neutrinos pode passar quase sem impedimentos e alcançar os detectores baseados na Terra. No contexto atual, por ter uma interação fraca, o setor de neutrinos pode ser um candidato viável para contribuir para a violação do PC.
Oscilação de neutrino e violação de CP
Existem três tipos de neutrinos (𝜈) - 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 e 𝜈𝜏 – um associado a cada sabor de lépton elétron (e), múon (𝜇) e tau (𝜏). Os neutrinos são produzidos e detectados como estados próprios de sabor por meio de interações fracas em associação com o leptão carregado do sabor correspondente, enquanto se propagam como estados com massas definidas, chamados estados próprios de massa. Assim, um feixe de neutrinos de sabor definido na fonte torna-se uma mistura de todos os três sabores diferentes no ponto de detecção depois de percorrer um certo comprimento de caminho – a proporção de diferentes estados de sabor depende dos parâmetros do sistema. Este fenómeno é conhecido como oscilação de neutrinos, o que torna estas minúsculas partículas muito especiais!
Teoricamente, cada um dos autoestados de sabor de neutrino pode ser expresso como uma combinação linear de todos os três autoestados de massa e vice-versa e a mistura pode ser descrita por uma matriz unitária chamada matriz Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4 , 3). Esta matriz de mistura unitária tridimensional pode ser parametrizada por três ângulos de mistura e fases complexas. Destas fases complexas, a oscilação do neutrino é sensível a apenas uma fase, denominada 𝛿𝐶𝑃, e é a única fonte de violação de CP no setor leptônico. 𝛿𝐶𝑃 pode assumir qualquer valor no intervalo -180 ° e 180 °. Enquanto 𝛿𝐶𝑃= 0, ± 180 ° significa que os neutrinos e antineutrinos se comportam de forma idêntica e o CP é conservado, 𝛿𝐶𝑃= ± 90 ° indica uma violação máxima de CP no setor leptônico do modelo padrão. Qualquer valor intermediário é indicativo de violação de CP em diferentes graus. Daí a medição de 𝛿𝐶𝑃 é um dos objetivos mais importantes da comunidade da física dos neutrinos.
Medição de parâmetros de oscilação
Os neutrinos são produzidos em abundância durante as reações nucleares, como os do Sol, outras estrelas e supernovas. Eles também são produzidos na atmosfera da Terra por meio da interação dos raios cósmicos de alta energia com os núcleos atômicos. Para se ter uma ideia do fluxo de neutrinos, cerca de 100 trilhões passam por nós a cada segundo. Mas nem mesmo percebemos, pois eles estão interagindo muito fracamente. Isso torna a medição das propriedades do neutrino durante os experimentos de oscilação do neutrino um trabalho realmente desafiador!
Para medir essas partículas elusivas, os detectores de neutrino são grandes, com quilo-toneladas de massa e os experimentos levam vários anos para alcançar resultados estatisticamente significativos. Por causa de suas interações fracas, os cientistas levaram cerca de 25 anos para detectar o primeiro neutrino experimentalmente depois que Pauli postulou sua presença em 1932 para explicar a conservação de energia-momento no decaimento beta nuclear (mostrado na figura (5)).
Os cientistas mediram todos os três ângulos de mistura com mais de 90% de precisão e 99.73% (3𝜎) de confiança (6). Dois dos ângulos de mistura são grandes para explicar as oscilações dos neutrinos solares e atmosféricos, o terceiro ângulo (denominado 𝜃13) é pequeno, o valor de melhor ajuste é de aproximadamente 8.6 ° e foi medido experimentalmente apenas recentemente em 2011 pelo experimento de neutrino do reator Daya-Bay na China. Na matriz PMNS, a fase 𝛿𝐶𝑃 aparece apenas na combinação sin𝜃13𝑒± 𝑖𝛿𝐶𝑃, fazendo medição experimental de 𝛿𝐶𝑃 difícil.
O parâmetro que quantifica a quantidade de violação de CP nos setores de quark e neutrino é chamado de invariante Jarlskog 𝐽𝐶𝑃 (7), que é uma função dos ângulos de mistura e da fase de violação do CP. Para o setor quark 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , enquanto para o setor de neutrinos 𝐽𝐶𝑃~ 0.033 sin𝛿𝐶𝑃, e, portanto, pode ser até três ordens de magnitude maior que 𝐽𝐶𝑃 no setor de quarks, dependendo do valor de 𝛿𝐶𝑃.
Resultado de T2K - uma dica para resolver o mistério da assimetria matéria-antimatéria
No experimento de oscilação de neutrino de linha de base longa T2K (Tokai-to-Kamioka no Japão), feixes de neutrino ou antineutrino são gerados no Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) e detectados no detector Water-Cerenkov em Super-Kamiokande, depois de viajar 295 km de distância pela Terra. Uma vez que este acelerador pode produzir feixes de 𝜈𝜇 ou sua antipartícula 𝜈̅𝜇, e o detector pode detectar 𝜈𝜇, 𝜈𝑒 e suas antipartículas 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, eles têm resultados de quatro processos de oscilação diferentes e podem realizar a análise para obter limites eficientes nos parâmetros de oscilação. No entanto, a fase de violação de CP 𝛿𝐶𝑃 aparece apenas no processo quando os neutrinos mudam os sabores, ou seja, nas oscilações 𝜈𝜇 → 𝜈𝑒 e 𝜈̅𝜇 → 𝜈̅𝑒 - qualquer diferença nesses dois processos implicaria em uma violação de CP no setor leptônico.
Em uma comunicação recente, a colaboração T2K relatou limites interessantes na violação de CP no setor de neutrinos, analisando os dados coletados durante 2009 e 2018 (8). Este novo resultado descartou cerca de 42% de todos os valores possíveis de 𝛿𝐶𝑃. Mais importante, o caso em que o CP é conservado foi descartado com 95% de confiança e, ao mesmo tempo, a violação máxima do CP parece ser preferida na Natureza.
No campo da física de altas energias, é necessária uma confiança de 5𝜎 (ou seja, 99.999%) para reivindicar uma nova descoberta, portanto, são necessários experimentos de próxima geração para obter estatísticas suficientes e maior precisão para a descoberta da fase que viola o CP. No entanto, o resultado recente do T2K é um desenvolvimento significativo para a nossa compreensão da assimetria matéria-antimatéria do Universo através da violação de CP no setor de neutrinos, pela primeira vez.
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Referências:
1. Sakharov, Andrei D., 1991. '' Violação da invariância CP, assimetria C e assimetria bariônica do universo ''. Soviet Physics Uspekhi, 1991, 34 (5), 392-393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Uma introdução às propriedades da leptogênese e dos neutrinos. Contemporary Physics Volume 53, 2012 - Issue 4 Pages 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. e Sakata S., 1962. Observações sobre o modelo unificado de partículas elementares. Progress of Theoretical Physics, Volume 28, Issue 5, November 1962, Pages 870-880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. PROCESSOS BETA INVERSOS E NÃO CONSERVAÇÃO DA TAXA DE LEPTON. Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249 (janeiro de 1958). Disponível http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Acessado em 23 de abril de 2020.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [imagem online] Disponível em https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Acessado em 23 de abril de 2020.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) e atualização de 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog Responds. Física Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Restrição na fase de violação de simetria matéria-antimatéria em oscilações de neutrino. Nature volume 580, páginas 339–344 (2020). Publicado: 15 de abril de 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
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