Neutrinos que passam pelo núcleo da Terra não mostram esterilidade

Na física, surgem periodicamente alusões sedutoras à existência de neutrinos estéreis (inertes) - o quarto tipo teórico de neutrino, que difere dos outros três previstos pelo Modelo Padrão. Os pesquisadores estão tentando encontrá-lo usando o observatório de neutrinos IceCube (Ice Cube). Este é um poderoso detector de neutrinos na Antártica, capaz de reconhecer neutrinos vindos do espaço sideral . Será que descobrimos essa partícula e corremos para uma nova era emocionante da física?

Não. Pesquisas no IceCube não levaram a nada, a julgar pelos resultados publicados no início de agosto de 2016. A ausência de detecções não significa que os neutrinos estéreis não existem, mas impõe-lhes as restrições mais rigorosas, estreitando bastante o leque de energias possíveis e determinando a direção de pesquisas futuras.

Se neutrinos estéreis fossem encontrados, eles explicariam as anomalias em estudos antigos, descobririam nova física fora do Modelo Padrão e forneceriam pistas para mistérios como a natureza da matéria escura e o desequilíbrio entre matéria e antimatéria no universo. "Se você adicionar um quarto neutrino, tudo muda", diz Francis Halzen, gerente de projetos e co-autor do IceCube.

Presença fantasma

Para sentir a natureza dos neutrinos, basta imaginar que, durante o tempo em que você ler esta frase, pelo menos 100 trilhões de neutrinos passaram pelo seu corpo. Eles passam por matéria sólida sem resistência, pois não interagem por forças eletromagnéticas. Forças eletromagnéticas, entre outras coisas, conectam os átomos do seu corpo e impedem que você caia pelo chão.

Uma das razões da possibilidade de detectar neutrinos é que eles estão sujeitos a interações nucleares fracas. Tais interações ocorrem muito raramente: um neutrino colide com um átomo ao passar pela matéria, resultando em um flash. Isso também é observado pelos modernos detectores de neutrinos, incluindo o IceCube.

Os neutrinos estéreis seriam ainda mais fantasmagóricos que os neutrinos comuns, uma vez que eles nem experimentam interação fraca, por isso é impossível detectá-los dessa maneira. Eles têm massa, então eles interagem através da gravidade, mas um detector não pode ser construído com base nesse princípio. Os neutrinos estéreis podem voar pelo seu corpo agora, mas não há como saber. Pelo menos diretamente.

Quem pedir ajuda

Isso não significa que estamos condenados à eterna ignorância. Os neutrinos oscilam constantemente e mudam seus “aromas” - alternam entre os estados de neutrinos de elétrons, neutrinos de múons e neutrinos de tau. Neutrinos estéreis podem se transformar em neutrinos comuns, o que torna possível detectar sua presença.

Os neutrinos que passam por matéria muito densa, como o núcleo da Terra, frequentemente interagem com a matéria. Por causa disso, seu padrão de oscilação muda e eles entram em ressonância, o que aumenta as chances de sua transformação em neutrinos estéreis; portanto, os pesquisadores estão procurando por neutrinos entrando em um ângulo que indique sua passagem pelo núcleo da terra e entrando ainda mais no detector. Esses neutrinos aparecem na atmosfera acima do hemisfério norte devido à radiação cósmica, e depois passam pelo planeta e caem no IceCube.

"As oscilações misturam todos os quatro sabores que têm neutrinos estéreis e todos os outros sabores; portanto, se você brinca com um deles, afetará todos os outros", diz Halzen.

Neutrinos que se tornaram estéreis acabarão por desaparecer - eles não aparecerão no detector. Se vários neutrinos que passam pelo núcleo se transformarem em estéreis, haverá um mergulho na energia dos neutrinos do múon, exatamente no local correspondente à massa de neutrinos estéreis.

Felizmente, essa energia - da ordem de 1 TeV - cai facilmente na sensibilidade do IceCube, cobrindo energias de 10 GeV a 10 PeV. Se neutrinos estéreis existissem nessa lacuna de energia, o IceCube os detectaria.

A pesquisa abrange dados obtidos ao longo de dois anos, durante os quais os neutrinos que se movem na direção certa são capturados a cada seis minutos. Os dados foram analisados ​​por dois grupos independentes que chegaram à mesma conclusão: não foi detectado mergulho de energia nos neutrinos do múon, o que indicaria a presença de estéreis.

Enigmas e Oportunidades

Inicialmente, acreditava-se que os neutrinos não tinham massa e se moviam à velocidade da luz. Isso é previsto pelo modelo padrão. Porém, após 30 anos de incerteza, foram descobertas oscilações de neutrinos. Para partículas sem massa, elas seriam impossíveis e, portanto, têm massa.

"Até agora, este é o único sinal de que o modelo padrão não está completo", diz Halzen. - Deve haver física fora do modelo padrão. Especificamente, a nova física deve se esconder em um neutrino e ajudará a explicar os maiores mistérios do nosso tempo ".

Esses enigmas, em particular, a existência de matéria escura e o desequilíbrio entre matéria e antimatéria no Universo, fazem parte da motivação dos físicos envolvidos em pesquisas fora do Modelo Padrão. Embora o Modelo Padrão seja surpreendentemente bem-sucedido, ele não foi capaz de cobrir grandes partes do Universo. "Neutrinos estéreis podem ser uma maneira de entender essas tarefas", diz Halzen.

O Large Hadron Collider também é usado para encontrar caminhos fora do Modelo Padrão e também recentemente não conseguiu detectar vestígios de uma nova partícula que parecia tão promissora no ano passado . "Os especialistas em neutrinos e LHC estão atacando simultaneamente o modelo padrão em busca de novos ramos da física", diz Halzen.

Caminho a seguir

A falha em detectar neutrinos estéreis não cancela sua existência, mas cada vez que a pesquisa não os encontra, a fé em sua existência diminui. "As pessoas vêem indícios da existência de neutrinos estéreis em todos os lugares, como indícios de que Elvis está vivo", diz Halzen. "Há um conjunto de dicas e os teóricos estão confiantes em sua existência."

Graças a essas recompensas valiosas, os pesquisadores ainda não estão prontos para desistir. “Na ausência de descobertas, continuamos pesquisando de qualquer maneira e, é claro, o IceCube estuda neutrinos em uma ampla faixa dinâmica, e continuaremos a estudar todos esses neutrinos em todas as energias, na esperança de que em algum lugar o Modelo Padrão dê folga e começaremos a encontrar uma nova física” - diz Haltsen no vídeo.

Além disso, os pesquisadores mostraram que o IceCube pode ser usado para uma série de trabalhos que vão além da busca por neutrinos no espaço.

"Esse resultado destaca a versatilidade do observatório de neutrinos", diz Olga Botner, porta-voz da colaboração IceCube e outra autora contribuinte. "Este não é apenas um instrumento para estudar o universo intenso, mas também uma oportunidade para estudar as propriedades dos próprios neutrinos."

Source: https://habr.com/ru/post/pt396889/