Tipos de neutrinos e oscilações de neutrinos

Neutrinos - assim como leptões carregados (elétron, múon, tau), quarks do tipo superior (superior, encantado, verdadeiro) e do tipo inferior (inferior, estranho, adorável) - são de três tipos. Mas eles podem ser divididos em tipos de maneiras diferentes. Ao mesmo tempo, devido à natureza quântica de nosso mundo, apenas um deles pode ser usado por vez. Neste artigo, explicarei por que isso acontece e como esse fato é interessante e cientificamente importante, como as oscilações de neutrinos .

Você pode pensar que cada partícula tem uma massa específica - por exemplo, a energia da massa de elétrons é (E = mc ² ) 0,000511 GeV - e de um ponto de vista possível, três tipos de neutrinos não são exceção. Podemos classificar três neutrinos por suas massas (que ainda não são conhecidas exatamente) e chamá-los, dos mais leves aos mais pesados, neutrino-1, neutrino-2 e neutrino-3. Chamaremos essa classificação de massa de divisão e esses tipos de neutrinos - tipos de massa.


Fig. 1

Outra maneira de classificar os neutrinos é por sua relação com os leptões carregados (elétron, múon e tau). Isso é mencionado em um artigo sobre a aparência das partículas se o campo Higgs fosse zero. A melhor maneira de entender isso é se concentrar em como os neutrinos são afetados por interações nucleares fracas, o que se reflete em suas interações com a partícula W. A partícula W é muito pesada e, se você a produz, pode se decompor (Fig. 1) em uma das três cargas carregadas. antileptons e um dos três neutrinos. Se W decair em antitau, um neutrino tau aparecerá. Da mesma forma, se W decair em um antimuon, um neutrino de múon aparecerá. (O que é crítico para a criação de um raio de neutrino, um pion decai com a ajuda de interações fracas, e o antimuon e o múon neutrino são obtidos de pions carregados positivamente). E se W decair em um pósitron, um neutrino de elétron aparecerá. Vamos chamar isso de uma classificação fraca, e esses neutrinos são neutrinos de um tipo fraco, pois a interação fraca os determina.

Bem, qual é o problema? Usamos constantemente classificações diferentes aplicadas às pessoas. Dizemos que as pessoas são jovens, velhas e velhas; eles são altos, médios e baixos. Mas as pessoas podem opcionalmente ser divididas ainda mais, por exemplo, em nove categorias: jovens e altos, jovens e de meia idade, adultos e baixos, idosos e baixos e assim por diante. Mas a mecânica quântica nos proíbe de fazer o mesmo com as classificações de neutrinos. Não há neutrinos que são simultaneamente neutrinos de múon e neutrinos-1; não há tau-neutrino-3. Se eu lhe disser a massa do neutrino (e, portanto, se ele pertence ao grupo neutrino-1, 2 ou 3), simplesmente não posso dizer se é eletrônico, muônico ou tau-neutrino. Um neutrino de um determinado tipo de massa é uma mistura ou "superposição" de três neutrinos do tipo fraco. Cada neutrino do tipo massa - neutrino-1, neutrino-2 e neutrino-3 - é uma mistura precisa mas diferente de neutrinos eletrônicos, muônicos e tau-neutrinos.

O inverso também é verdadeiro. Se eu vejo como um pion se decompõe em um antimuon e um neutrino, descubro imediatamente que o neutrino resultante será um múon neutrino - mas não consigo descobrir sua massa, porque será uma mistura de neutrino-1, neutrino-2 e neutrino-3 . Neutrinos de elétrons e neutrinos de tau também são misturas precisas, mas diferentes, de três neutrinos de massas específicas.

A relação entre esses tipos maciço e fraco é mais semelhante (mas não exatamente consistente) à relação entre as classificações das rodovias americanas como “norte para sul” e “oeste para leste” (o governo dos EUA as divide dessa maneira, atribuindo números ímpares à C / Estradas sul e até simples (P / B) e dividindo-as em estradas que vão do "nordeste ao sudoeste" e do "sudeste ao noroeste". O uso de qualquer classificação tem suas próprias vantagens: a classificação N / S - W / N é adequada se você se concentrar na latitude e longitude, e NE / SW - SE / NW será mais conveniente perto da costa, pois vai do sudoeste para o norte leste. Mas ambas as classificações não podem ser usadas simultaneamente. A estrada para o nordeste é parcialmente norte e parcialmente oriental; não se pode dizer que ela é isso ou aquilo. E a estrada norte é uma mistura de nordeste e noroeste. O mesmo ocorre com os neutrinos: os neutrinos de massa são uma mistura de neutrinos fracos e os neutrinos fracos são uma mistura de massa. (A analogia deixará de funcionar se você decidir usar a classificação aprimorada das estradas C / S - N / S - S / S - S / S - S / N; para o neutrino, essa opção não existe).

A incapacidade de classificar os neutrinos, atribuindo-os a um certo tipo de massa e a um certo tipo fraco, é um exemplo do princípio da incerteza , semelhante a uma estranheza que proíbe ao mesmo tempo conhecer a posição exata e a velocidade exata de uma partícula. Se você conhece exatamente uma dessas propriedades, não tem idéia da outra. Ou você pode aprender algo sobre as duas propriedades, mas não todas. A mecânica quântica diz exatamente como equilibrar seu conhecimento e ignorância. A propósito, esses problemas não se aplicam apenas aos neutrinos. Eles estão associados a outras partículas, mas são especialmente importantes no contexto do comportamento dos neutrinos.

Décadas atrás, tudo era mais simples. Então, acreditava-se que os neutrinos não tinham massa, portanto bastava usar uma classificação fraca. Se você observar obras antigas ou livros antigos para pessoas comuns, verá apenas nomes como neutrinos de elétrons, neutrinos de múons e neutrinos de tau. No entanto, após as descobertas dos anos 90, isso não é mais suficiente.

E agora a diversão começa. Suponha que você tenha um neutrino de alta energia do tipo eletrônico, ou seja, uma certa mistura de neutrino-1, neutrino-2 e neutrino-3. Um neutrino se move no espaço, mas seus três tipos diferentes de massa se movem com velocidades ligeiramente diferentes, muito próximas da velocidade da luz. Porque Como a velocidade de um objeto depende de sua energia e massa, e três tipos de massa têm três massas diferentes. A diferença de velocidade é extremamente pequena para qualquer neutrino que possamos medir - nunca foi observado -, mas seu efeito é surpreendentemente forte!

A diferença de velocidade dos neutrinos - algumas fórmulas

A velocidade das partículas v na teoria da relatividade de Einstein pode ser escrita em termos da massa de partículas m e energia E (esta é a energia total, isto é, a energia do movimento mais a energia da massa E = mc ² ) e a velocidade da luz c, como

$$

$$v = c (1 - [\ frac {m c ^ 2} {E}] ^ 2) ^ {1/2}$$

Se uma partícula tem uma velocidade muito alta e sua energia total E é muito maior que a energia mássica mc ² , então

$$

$$v = c (1 - [\ frac {m c ^ 2} {E}] ^ 2/2 + ...)$$

Onde os pontos nos lembram que essa fórmula não é exata, mas uma boa aproximação ao grande E. Em outras palavras, a velocidade de uma partícula se movendo quase à velocidade da luz difere da velocidade da luz em uma quantidade igual a metade do quadrado da razão entre a energia de massa da partícula e sua energia total . A partir desta fórmula, pode-se observar que, se dois neutrinos têm massas diferentes m ₁ e m ₂ , mas a mesma grande energia E, então suas velocidades diferem muito pouco.

Vamos ver o que isso significa. Todos os neutrinos medidos de uma supernova que explodiu em 1987 chegaram à Terra em um intervalo de 10 segundos. Suponha que um neutrino de elétron tenha sido emitido por uma supernova com uma energia de 10 MeV. Esse neutrino era uma mistura de neutrino-1, neutrino-2 e neutrino-3, cada um dos quais se movia a uma velocidade ligeiramente diferente! Vamos notar isso? Não sabemos exatamente as massas de neutrinos, mas suponha que o neutrino-2 tenha uma energia de massa de 0,01 eV e o neutrino-1 tenha uma energia de massa de 0,001 eV. Então, suas duas velocidades, dado que suas energias são iguais, diferirão da velocidade da luz e uma da outra em menos de uma parte dos cem mil trilhões de dólares:

$$

$$v_1 - v_2 = c [(m_2 ^ 2 - m_1 ^ 2) c ^ 4/2 E ^ 2 + ...] = 0.0000000000000000005 c$$

(o erro de todas as equações não excede 1%). Essa diferença de velocidade significa que partes do neutrino-2 e neutrino-1 do neutrino-elétron original chegariam à Terra com uma diferença de milissegundos - tal diferença não pode ser detectada por muitas razões técnicas.

* * *

E agora, a partir do interessante, passamos a coisas realmente estranhas.

Essa pequena diferença de velocidade faz com que a mistura exata de neutrino-1, neutrino-2 e neutrino-3, que é um neutrino eletrônico, mude gradualmente ao se mover no espaço. Isso significa que o neutrino eletrônico com o qual começamos deixa de ser nós mesmos ao longo do tempo e corresponde a uma mistura específica de neutrino-1, neutrino-2 e neutrino-3. As diferentes massas de neutrinos de três tipos de massa transformam o neutrino inicial de elétrons durante o movimento em uma mistura de neutrinos de elétrons, neutrinos de múons e neutrinos de tau. As porcentagens da mistura dependem da diferença de velocidades e, portanto, da energia do neutrino inicial, bem como da diferença de massas (mais precisamente, da diferença de quadrados das massas) do neutrino.


Fig. 2

A princípio, o efeito aumenta. Mas, curiosamente, como mostrado na Fig. 2, esse efeito não está apenas crescendo constantemente. Ela cresce e depois diminui novamente, e depois cresce novamente, diminui novamente, novamente e novamente, no processo de movimento dos neutrinos. Isso é chamado de oscilações de neutrinos. Como exatamente eles ocorrem depende de quais massas de neutrinos são e de como os neutrinos de massa e os neutrinos fracos são misturados lá.

O efeito das oscilações pode ser medido devido ao fato de que um neutrino de elétron que colide com um núcleo (a saber, um neutrino pode ser detectado) pode se transformar em um elétron, mas não em um múon ou tau, enquanto um neutrino de múon pode se transformar em um múon, mas não em elétron ou tau. Então, se começamos com um feixe de neutrinos de múons, e depois de nos movermos a uma certa distância, alguns neutrinos colidiram com núcleos e se transformaram em elétrons, isso significa que ocorrem oscilações no feixe e neutrinos de múons se transformam em neutrinos de elétrons.

Um efeito muito importante complica e enriquece essa história. Como a matéria comum consiste em elétrons, mas não de múons e tau, os neutrinos de elétrons interagem com ela de uma maneira diferente da do múon ou tau. Essas interações que ocorrem por meio de interação fraca são extremamente pequenas. Mas se o neutrino passa por uma grande espessura da matéria (por exemplo, por uma fração tangível da Terra ou do Sol), esses pequenos efeitos podem se acumular e afetar muito as oscilações. Felizmente, sabemos o suficiente sobre interações nucleares fracas, a fim de prever esses efeitos em detalhes e calcular toda a cadeia ao contrário, desde medições em um experimento até a descoberta das propriedades dos neutrinos.

Tudo isso é feito usando a mecânica quântica. Se isso não for intuitivo para você, relaxe; para mim, isso também não é intuitivo. Eu tenho toda a minha intuição das equações.

Acontece que a medição cuidadosa das oscilações de neutrinos é a maneira mais rápida de estudar as propriedades dos neutrinos! Por esse trabalho, eles já deram o Prêmio Nobel. Toda essa história surgiu da interação clássica de experimento e teoria, que se estendeu da década de 1960 até os dias atuais. Vou mencionar a mais importante das medidas tomadas.

Para começar, podemos estudar neutrinos de elétrons produzidos no centro do Sol, em seu forno nuclear bem estudado. Esses neutrinos viajam através do sol e através do espaço vazio para a terra. Verificou-se que, quando chegam à Terra, podem com a mesma probabilidade pertencer ao tipo de múon ou tau, bem como ao tipo de neutrino eletrônico. Isso por si só serve como evidência de oscilações de neutrinos, e a distribuição exata nos fornece informações detalhadas sobre os neutrinos.

Também temos neutrinos de múons decorrentes da decomposição de pions que surgem nos raios cósmicos. Os raios cósmicos são partículas de alta energia que vêm do espaço sideral e colidem com núcleos atômicos na atmosfera superior. Nas cascatas resultantes de partículas, os pions são freqüentemente encontrados, muitos dos quais decaem para neutrinos e antimuons de múons, ou para antineutrinos e múons de múons. Detectamos alguns desses neutrinos (e antineutrinos) em nossos detectores e podemos medir quanto pertencem a neutrinos de elétrons (e antineutrinos), dependendo da espessura da Terra que eles passaram antes de entrar no detector. Isso novamente nos fornece informações importantes sobre o comportamento do neutrino.

Esses neutrinos "solares" e "atmosféricos" nos ensinaram muito sobre as propriedades dos neutrinos nos últimos vinte anos (e a primeira dica de algo interessante aconteceu quase 50 anos atrás). E a essas fontes naturais de energia são adicionados vários estudos realizados usando raios de neutrinos, como os usados ​​no experimento OPERA , bem como o uso de neutrinos de reatores nucleares convencionais. Cada uma das medições é, na maior parte, consistente com a interpretação padrão dos neutrinos solares e atmosféricos e permite medições mais precisas de misturas de tipos de massa e tipos fracos de neutrinos e diferenças nas massas quadradas de neutrinos de massa.

Como seria de esperar, nos experimentos existem pequenas discrepâncias com as expectativas teóricas, mas nenhuma delas foi confirmada e a maioria, se não todas, são apenas acidentes ou problemas estatísticos no nível experimental. Até agora, nenhuma contradição com a compreensão dos neutrinos e seu comportamento foi confirmada em vários experimentos. Por outro lado, toda essa imagem é bastante nova e pouco testada; portanto, é bem possível, embora improvável, que possa ter interpretações completamente diferentes. De fato, alternativas bastante sérias já foram propostas. Portanto, o refinamento dos detalhes das propriedades dos neutrinos é um campo de pesquisa em desenvolvimento ativo, no qual, na maioria das vezes, há acordo, mas algumas questões ainda permanecem em aberto - incluindo uma determinação completa e irrevogável das massas de neutrinos.