O que são neutrinos?
Essa é a pergunta, no fim das contas. Sabemos muitas coisas sobre neutrinos, previstas e entendidas pela física, todavia, se quisermos dar aplicações práticas para eles e construir tecnologias baseadas em neutrinos, precisamos entender seus processos e reações exatamente. Isso pode levar a confirmação da teoria existente ou a descoberta de nova física. Os físicos já exploram essas possibilidades em grande detalhe, para determinar previsões dos dados que serão obtidos pelos detectores do DUNE em diversos cenários teóricos. Vamos ao que já sabemos sobre neutrinos.
Em muitos aspectos, os neutrinos são partículas especiais; em primeiro lugar, são várias ordens de magnitude mais leves que todos os outros férmions (partículas usuais, como prótons e elétrons) e, de fato, nenhuma medição direta encontrou evidências das massas dos neutrinos ser diferente de zero. Todavia eles não poderiam oscilar se tivessem massa zero. Essa é uma pergunta fundamental. Quais as massas dos três sabores de neutrinos? Outra é: são só três sabores, mesmo?
Neutrinos também nã0 reagem a forças elétricas ou magnéticas e não sentem interações fortes. Eles interagem fracamente (são quatro forças fundamentais conhecidas: gravitação, eletromagnetismo, força forte e força fraca), na verdade, extraordinariamente fracamente. Por exemplo, os neutrinos produzidos em reatores nucleares, com energia Eν ∼ 1 MeV, tem probabilidade ∼ 0.0000000000000001% = 10^ (-18) de interagir em um detector sólido com a espessura de um metro, e probabilidade ∼ 0.000000001% = 10^(-11) de interagir com qualquer coisa na Terra, viajando ao longo de uma trajetória que passa por seu Centro. Fonte: INTRODUCTION TO NEUTRINO PHYSICS de Paolo Lipari
Os neutrinos são, então, partículas “elusivas”, que interagem muito pouco. Poderia-se pensar que são insignificantes. Todavia eles existem em imensa quantidade. Vivemos imersos num banho de neutrinos produzidos quando o universo era quente e jovem. A densidade numérica média dos neutrinos cosmológicos é de ~336 por centímetro cúbico e dentro de nossa galáxia ela pode ser muito maior por causa dos efeitos da gravidade nos neutrinos (que ainda não são entendidos). Além desses, aproximadamente 60 bilhões de neutrinos solares, produzidos no núcleo do Sol, atravessam cada centímetro quadrado do nosso corpo a cada segundo. Neutrinos são a segunda partícula mais abundante do universo. Em primeiro lugar estão os fótons.
Essa combinação de passar por dentro da matéria com a grande abundância é única. Enquanto fótons podem levar cerca de 100.000 anos para sair do sol, vindos de seu núcleo, neutrinos levam menos de um segundo e podem dar uma perspectiva única dos eventos que ocorrem lá dentro. Além disso, um número verdadeiramente fantástico de neutrinos
∼ 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 = 10^(58)
é emitido poucos segundos após o colapso gravitacional de uma estrela massiva que desencadeia
uma explosão de supernova e pode dar uma perspectiva única para explorar o cosmos. Para isso precisamos entender suas propriedades.
Hipóteses físicas e matemática...
Entender que dados serão observados nos detectores pelos neutrinos produzidos, depende de compreender os processos pelos quais os neutrinos passarão em seu caminho. Muitas vezes esse é o trabalho de um físico: imaginar diversos cenários e ver qual deles melhor reflete os dados obtidos nos detectores.
Se os neutrinos apenas oscilam entre os seus três sabores, a relação entre os sabores e massas observadas dos neutrinos é dada pela matriz PMNS:
A matriz 3x3 na equação acima, chamada de matriz PMNS e representada pela letra U, já foi muito estudada e tem os coeficientes determinados experimentalmente (com boa precisão). Mas, e se ocorrem outras coisas com os neutrinos em sua trajetória? O que pode ocorrer?
Físicos Brasileiros como Célio Moura, João Melo e André Steklain participam de pesquisas buscando desvendar o que ocorre com os neutrinos no caso de Interações Não Padrão.
Nesse caso temos termos adicionais relacionando as oscilações, dados como outras matrizes, que precisam ter seus coeficientes estimados:
As simulações e estudos desenvolvidos pelos físicos brasileiros e de outros países permitem estimar relações entre esses valores, que serão testadas contra os dados experimentais, para descobrir quais hipóteses se enquadram melhor na realidade.
As figuras abaixo mostram plots dos valores admissíveis para essas constantes no experimento.
Caso seja comprovada a existência de Interações Não Padrão, elas implicarão em melhorias nos valores das constantes que geram a matriz PMNS, como ilustrado nas imagens abaixo.
