Scientific American 2013 05 Neutrinos

7/28/2019 Scientific American 2013 05 Neutrinos

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Martin Hirsc:hprofessor do Grupode AsttopartlrulaseFfsialde Altas Energias no I IC.um centro conjunto pamfsica depan.icul.as da U n i ~ d a d e deVal@nciaedoConselhoSup!ri


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B S I C O

Mudando de Identidade Durante o VooConforme os neutrinos se propagam. quase velocidade da luz, atravs do espao, da Terra ou do seu corpo, eles mudam de identidadefrequentemente. oscilando entre os trs tipos conhecidos. Seu comportamento estranho, mas no totalmente aleatrio- as propriedadesdos neutrinos permitem queos ffsicos prevejam a probabilidadede suaoscilao em distncias diferentes.1n (' t 11 dt :, m' .,Neutrinos vm em pelo menos trs sabores:oeltron,omon eo au. (Alguns frskns suspeitamda existncia de um quarto neutrino tambm.) Ogrfico iiiJStrcl aprobabilidadede que tm neutrioodomon, tendoatJVeSSado determinadadistncia,alternar ossabores.Na prtica,as distnciasde oscilaaodependem daenergia do neutrino.

Neutrino domon

Neutrioo do eltron

Neutrino do tau

Quarto tipo de neutrino

'lmfi um d ...itn

100% neutrlno do mton

50% neutrino de mon,50% net.ttrino de outro tipo

100%neutrino deoutro tipo1 10

Distancia percorrida (quilmetros)

Experimentos de oscilaao de neutrinos medem ad'ivergncia de saborentre as partculas emitidas por uma fonte de neutrino eaqueles capturados em um detectordistante.Anustraao mostra os padres idealizados de oscilaes fonte-ao-detector para experincias com aceleradores de pardcu1as e reatores nucleares.FONTE TIPODE NEUTRJNO DISTNOAPERCORRJDA---------------+

Acelerador departiculasI

Neutrino de mon na fonte

ReatornuclearI Antineutrino do eltron na fonte

250km

O,Skm

las de>..trgiras seriam ainda mais escorregadias que suas oonlrapattidas lcvgiras, os ncutrinos cxpcrimcnt.ahnentc detectados doModelo Padro. Thdos os neut:linos so classificados como lptons- a famlia estendida de partculas que tambm inclui o eltron - .oquesignifica queeles nosentem a forc:.a forte que mantm prtonse nut:l'Ons no ncleo atmico. Sem carga eltlica, os neutrinostambm no sentem diretamente as foras eletromagntica.. lssodeixa apenas a fora da gravidade e a interaofraca paraos lrs sabores conhecidos de ncutrinos, mas um neut:lino dc.'\trgiro stiainsensvel at mesmo fora fraca,

Quase totalmente tauI

500km 750km 1.000kmMaior parte eltrons, em pores iguais de mon e tau

I

1,0 km 15km 2,0km

Se um ncutrino destro existir, esse fato druia uma explicaomuito razovel paraoutro en igma dessa partcula.: a razo porqueas Lrs variedades canhotas - o neutlino do eltron, do m6on e dotau - todas tm mass.c1S rt:duzidas.

der, ou LHC, no CERN. perto de Genebra, anunciaram que haviamidentificado uma nova partcula ootTCSpondcntc descrio doento muito procurado bson de Higgs. Esse bson a prutculacorrespondenteao campo de Higgs, ass im como o fton acontrapartida do campo clctromagntko.) No processo, o Higgs leV'aembora a verso da fora fraca da a t ~ < t e t r i c a das partculas.Pelofato de os neut1inos de>..trgiros no exibirem carga, a massa delesnodependedocampo de Higgs. Em vez disso,ela pode emergirdeum mecanismo completamente diferente nas energias extremamente elevadas da grande tmificao, o que tomruia o neutrinodestro enorm emente pesado.Efeitos qunticos poderiam vincular neutrinos dextrgiros aosseus irmos Jevgiros de uma fom1a que faria com que a enonnemassa de um "contaminasse"o outro. Ocontgio seria muito fraco,entretanto - comparativamente, se o neutrino dextrgiro perecessecom pneumonia, um levgiJO pegruiaapenas wn resfriado-, o quesignifica que a massa do levgiro seriamuito pequena. Essa relao

A maioria das prutculas elementaresganhamassa interagindocom o onpresente u n p o de Higgs. (Higgs tomou-se nome muitoconhecido ano passado. quando os fsicos no Lcuge Hadron Colli-


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E V I D ~ N C I A

O corao da antimatriaUma srie de experincias ao redor do mundo foi projetada paraobservarum fenmeno raro da fsica nuclear chamado decaimen-to beta duplo. Essas experincias tm por objetivo testar a hiptese de que. dentrodo domfno dos neutrinos. matria e antimatriaso umae I'TleSma coisa. Se, de fato, os neutrinos so suas prpriasantipartculas, eles poderiam alterar o equilbriode matriaeantimatria, explicando potencialmentecomo a matria passou adominar o Universo.

Bt(aimtutu Utll lm uNcleos radioativos podem assumir em configuraesmais estveis por meiododecaimento beta.Aqui,o trtio (um istopo do hidrognio) decai em Mlio 3transmutando um ~ u t r o n em prton,liberando. no processo. um eltron eumantineutrino.

Trrtio Hfio3k e ~ i m c nlo Bd 1 Our.luIstoposnudearcs podesofrer doisdecaimentos beta de uma vez. r a ~ r m a n d odois nutrons em prtons,comemissao de doiseltrons edois antineutrinos.

Germ4nio76 Sel&io 76) t a a ~ w l l l d ~ t ' t < t htplu l ' itl ' u t ' i tu '

Se os neutrinos saosuas prprias antipartlculas, a parte do neutrino nos decaimentos poderia seanular- em um decaimento,um neutrino seria absorvidoem vez de um antineutrino seremitido. Um decaimento sem neutrinos comoesse ainda no foi convincentementeobservado.Antineutrino muda para neutrino

Germ4nio76 Selnio76

conhecida como mecanismo de gangon-a, porque uma granmassaaumenta, ou eiCV'cl, uma massamenor.Umaexplicao altemativaparaa massa dos neutrinoosurgesupersimetria, um dos principais candidatos prua a nova fsialm do Modelo Padro. Na hiptese da supersim(.>tli:plosoradiao. A completa falta de carga do neutrlno dextrgiro poter um::t importante consequncia: poderia sign ificar que, paneutJinos, matria e anti matria so uma e mesma coisa. Na teminologia da fsica o eltron e o psitron so conhecidos compartculas de Dirac. Uma partcula que o seu prprio homlo


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de antimatria., por outro lado, uma prutcula de M ~ o r a n a [hbido de partculae antipartcula].Se a temia da gangon"a refletir oom preciso o funcionamentodo mundo das partculas,osneutrinos levgiros no est...'\o permeados pela massa, mas tambm pela"MC\ioranicc'' dos neutrinos dcxtrgiros. Em outras palavras, se alguns neutrinosso suas prptiasantipartculas,ento todos os neutrinos exibem essacamcterfsticaO fato de os ncutlinos e suas antipartfculas serem uma e amesma coisa tetia vrias implicaes interessantes. Neuuinos poderiam, porexemplo,desencadear tmnsies entrepartculas e antiprutculas. Na mai01iadas reaes entre partfculas o nmero leptnico, ou seja, o nmero de lptons menos o nmero de antilptons, oonservado - no se altera. Neuninos, no entanto, podemviolar essa regra, criando um desequilbio entre matriae antima

tria. Para ns, humanos, o desequilbrio , digamos, conveniente,porque se matria e anti matria tivessem existido em igualdade norescaldo do Big nang, teriam sido completamente aniquiladas umapela outra e nada haveria parc1 construirgalxias, planetas e fom1as de vida. Aex-

experimentais devem reunir grandes quantidades de gcrmnio,ououbus materiais an1ogos, para te r uma esperana de documentara variedade de decaimento sem neutlinos. Para piorar a situao,ofluxo constante de partculas subalmicas sobre a Tena, criadopelos rc1ios csmicos, tende a confundir o sinal fraqussimo do dcec"limento beta duplo.Desse modo, expe1imentalistas devem enterrar os seus detectores a grandes profundidades, em antigas minasou em outros laboratrios subterrneos, onde a rocha sobrejaccntefiltraquase toda radiaocsmica.Lamentavelmente, o nico relato at hoje de um decaimentobeta sem neutrinos, do HeidelbergMoscou Double Beta.Decay E.xpcriment, na Itlia, tem sido vigorosamente contestado poroutl'OSfisicos. A prximagerao de detectores, alguns apenas comeandoa tomar dados, ou que esto atualmente em construo, realizar.uma busca mais completa nessa rea Urn experimento no NovoM:\1co,chrunado EX0-200, e outro no Japo,o KamLAND-Zen, recentemente public.:u-an1 os primeiros dados de suas buscas pelo de-caimentobeta duplo sem ncutrinos, o que

plicao parao domnio da matriasobrea n t i m ~ t i a h muito tem escapado aosfisicos ecosmlogos.AO QUE DESAPARECE

A prxima dedeneutrinos est sendo

causou fricfio com a alei:,rao anterior,mas noa descattou de fotma inequvoca.O experimento GERDA, na Itlia. queentrou em operao em 20ll, uti liza omesmo istopo que a configurao Heidelbcrg-Moscou, em um projeto melhorado,que visaconfrontar diretamente o contl'Overso achadode seu antecessor. Tanto oexperimento EXC>-200 oomo o KamLANDZcn continuam suas operaes e um aparelho conhecido como CUORE estprogramado para comear a tomar dados naItlia em 2014. O nmero de experimentosavanados, agora a caminho, proporcionaumaesperanamuito v.


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ME DI N D O A MA SS A

Os Segredos do Neutrino Gravados no CuPorSudeepDas e Tristan L. Smith

Medir a massa mint.'JSCUia dos neutrinos at agora se mostrou invivel, enopor falta de tentativas. Dezenas de experimentos de laboratrioaolongo das ltimas dcadas cooseguiram apenas colocar limitesvagossobreas trs massas de neutrinos.Temos razesconvincentes para esperarque a melhor maneira demedira massa dessas partculas minsculas . surpreendentemente,procurar por sua influncia nasmaiores escalas do Uni'v9'SO. Emboraos neutrinossejam praticamente desprovidos de massa, e quaseInvisveis, seus nmeros- algo em tomo de 10S9 no Universo- fazemdeles jogadores influentes no Cosmos.

Nossa lgica a seguinte: no incio da histria do Universo.quando wdo era muitoquente e denso, as reaes nudeares forjaram hlio apartirde hidrognio,libefando um grande nmerodeneutrinos comosubproduto.Conforme o Universo evolua,se expandia e se esfriava,pequenas flutuaes na densidade dessa sopa pri-mortlial de particulas foram amplificadas; em regiescomdensidade acima da mdia, agravidade

Radiaao csmica defundo em microondastentava atrair material.

A matria escura, essencial-mente invisvel que representa boaparte da massado Universo, c.olapsou em aglomerados primeiroporqueeia s interage pela gravidade. Esses agrupamentos iniciais dematria escura formaram as sementesdas galxias e dosaglomeradosgalctcos vistos ainda hoje. Neutrinos. extremamente leves, comearama aglutinar-seum poooo maistarde no desenvolvimento do Universo. Na verdade. porse moverem

Matria escuraA magem observada distoccida pelamatria escura

DEFOilltU. 0.1! a radiao csmicade fundoem microondas coletada pr telescpios naTerra.e noespao foi sutilmente distorcida. pelamatriaescura. Ao traaressas distores osfsicos podemmapeara eslrutw.t dtt.matria.escura, moldada por neutrinos e, assim colocarJimjles rigorosossobre a .massados o . ~ .

EspaonavedoWMAP1

dutos de decaimentos ex ticos do bson de Higgs, que devem serobservveis no LHC. Esse sinal podcJia apontar parao m


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todos medem a oscilao de curto alcance dos ncutrinos provenientes de reatores nucleares.S em 2012 esses experimentos, finalmente, determinaram oltimo e menor dos ngu los de mistura - os parmetros que regemas transies entre os sabores de neuttnos. O ngulo de mistumfmal a ser fixado, conhecido como o ngulo do reator, descreve aprobabilidade de converso de um neutlino do eltron ou de umantincut1ino sobre um pequeno ponto de p(utida As medidas dongulo do reator abriram a possibilidadede queexpetimentosfuturos de neutrinos possam ser capazes de comparar as prop1iedadesde neutrinos e antineutrinos. Uma assimetlia entre partculas e os

milab, que comeou a produzir rcsuttados cientficos em 2007,tambm sugeriu converses como essas. No entanto, as oscilaesdo LSND e do MinillooNE no se c.tiustaV'am perfeitamente naimagem padro dos U'sneutrinos.A mecnicaqunticapcm1ite que ncutrinos oSCilem entre sabores apenas se tiverem massa - e s se cada sabortiver uma massadiferente. As vrias massas dos neutrinos poderiam desencadearconverso dos neutrinos parae>.rplicar as anomaliasvistas no LSNDe no MinillooNE, mas apenas se ouU"l diferena de massa existirem adio s j conhecidas - em outras palavras, apenas se existirum quarto tipo de neulrino alm dos trs conhecidos. Um acopla-mento adicional do ncutrino com a foraeus homlogos de anti matria seria co-nhecida como violao CP e, juntamentecom estudos sobre o decaimento betaduplo sem neutrinoo, poderia tocar nomistrio de haver mais mattia que antimatria no Universo.

Qualquer assimetria fraca faria o bson Z - portador da forafraca - decair muito rapidamente..de modoque essa partcula no interagria

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