miercuri , 20 iunie 2018
roen

Art. 05 – Vol. 25 – Nr. 3 – 2015

METAMORFOZA NEUTRINILOR

Roman CHIRILĂ
roman.chirila@ici.ro

Institutul Naţional de Cercetare – Dezvoltare în Informatică – ICI Bucureşti

Rezumat: Procesul de metamorfoză a neutrinilor constă în transformarea incredibilă a unui tip de neutrino în altul, pe durata parcursului lor prin spaţiu. În fizica particulelor elementare acest fenomen este cunoscut sub denumirea de „oscilaţie” şi reprezintă o dovadă serioasă a faptului că neutrinii au masă, deci ei pot oscila, adică îşi pot schimba identitatea şi implicit natura lor. Spre deosebire de alte particule, neutrino are o identitate dublă: el poate fi una dintre dintre cele trei arome (νe, νμ, ντ) şi să posede una dintre cele trei mase (ν1, ν2, ν3), dar o aromă dată nu implică şi o anumită masă, sau invers. Masa exactă a fiecărei arome nu se cunoaşte încă. Totuşi, problema este de ce au neutrinii masă şi cum se explică micimea acestor mase. În Modelul Standard, neutrinii nu au masă. Prin urmare, este nevoie de o îmbunătăţire a acestui model, de a adăuga noi rezultate experimentale şi explicaţii teoretice care pot avea implicaţii profunde în astrofizică, cosmologie, sau chiar asupra naturii fizicii. Lucrarea de faţă este un scurt rezumat despre natura cuantică a procesului de oscilaţie a neutrinilor, dar şi despre o serie de rezultate experimentale legate de schimbarea identităţii neutrinilor. În plus, neutrinii par a constitui miezul unui alt mister: de ce trăim într-un univers alcătuit din materie şi nu din antimaterie?

Cuvinte cheie: neutrino, oscilaţia neutrinilor, neutrino Dirac, neutrini Majorana, mecanismul seesaw.

Introducere

Oscilaţia neutrinilor, care determină uimitoarea metamorfoză a acestor particule, constituie un fenomen profund cuantic, prin care un neutrino creat cu o anumită aromă leptonică (electron, muon sau tauon) poate fi detectat ulterior ca având o aromă complet diferită. Probabilitatea de măsurare a unei anumite arome de neutrino variază periodic, pe parcursul propagării acesteia prin spaţiu [1].

Această proprietate a neutrinilor de a oscila, combinată cu delicata problemă a micimii masei acestora, fac din neutrini cele mai misterioase particule din cosmos. Observaţiile cosmologice şi experienţele de laborator, indică faptul că masele celor trei arome de neutrini trebuie să fie extrem de mici şi că originea acestora este strâns legată de procesele subatomice care au avut loc imediat după Big Bang [2]. Neutrinii sunt particule subatomice care se deplasează cu viteze colosale, apropiate de viteza luminii. Chiar dacă sunt cele mai răspândite particule din univers, doar una dintre o mie de miliarde din neutrinii produşi de Soare interacţionează cu un atom de pe Pământ, motiv pentru care Isaac Asimov le-a botezat „particulele fantomă”[3].

Pe durata parcursului lor prin spaţiu, particulele de neutrino au proprietatea ciudată de a se transforma dintr-o aromă în alta, fenomen înlesnit de dubla lor identitate. Pe de o parte, ele pot fi una dintre cele trei arome (νe, νμ, ντ), iar pe de altă parte ele pot avea una dintre cele trei mase (ν1, ν2, ν3), fără ca o aromă dată să implice o anumită masă dată, şi nici invers [4]. Aroma neutrinilor determină modul în care particula interacţionează cu materia, iar masa sa determină modul de propagare al particulei prin spaţiu.

Concluzii

Am văzut că experimentul SuperK din 1998 a pus în evidenţă fenomenul de oscilaţie al neutrinilor prin care aceştia îşi modificau aroma pe măsură ce se propagau prin spaţiu. În 2001, experimentul de la SNO a pus în evidenţă faptul că oscilaţia neutrinilor este cauza fundamentală a deficitului de neutrini solari observaţi. Confirmarea experimentală a fenomenului de oscilaţie stabileşte cu certitudine faptul că neutrinii au masă, contrar predicţiei făcute de MS.

Dincolo de evidenţa rezultatelor obţinute, rămân o serie de probleme nerezolvate[19][20][21] şi care impun alte experimente noi, cu configuraţii mai ingenioase, pentru a răspunde la câteva întrebări esenţiale, cum ar fi:

  • Estimarea exactă pentru sin2 (2θ23); sin2 (2θ12); Δm223; Δm212;
  • Este θ13 > 0 şi dacă da, atunci care este valoarea sa exactă?
  • Este θ23 = 45º, sau nu?
  • Care este semnul lui Δm223?
  • Care este ierarhia de masă a neutrinilor? La ora actuală, există două astfel de ierarhii, cea directă (Me<Mμ<Mτ, exact cum electronul este mai uşor decât muonul, iar muonul este mai uşor decât tauonul) şi cea inversă.

Vizualizează articolul complet

  • Este neutrino propria sa antiparticulă? Adică, sunt neutrinii particule Majorana? Răspunsul la această întrebare nu poate fi obţinut prin experienţe de oscilaţie. În perioada universului timpuriu, a existat la un moment dat un mic exces de materie în raport cu antimateria, ceea ce a condus la realitatea materială, vizibilă, a universului de azi. Fenomenul care ar explica această asimetrie materie-antimaterie este leptogeneza, dar care presupune ca neutrinii să fie particule Majorana.
  • Violează neutrinii simetria CP – o altă exigenţă a leptogenezei?
  • Care este masa absolută a neutrinilor? Prin experienţele de oscilaţie nu se pot măsura astfel de valori. Totuşi, cunoaşterea acestora poate conduce la elaborarea de modele mai exacte despre evoluţia universului nostru.

Masa neutrinilor şi amestecul acestora, oscilaţia cameleonică între aromele sale diferite, pe distanţe macroscopice (cu faza ~ Δm2 L/E) şi posibilitatea de a fi propriile sale antiparticule, toate acestea fac din neutrino mesagerii autentici pentru noua fizică şi posibila cauză a profundei asimetrii iniţiale materie-antimaterie, datorită căreia existăm noi, în acest univers material, care face cu putinţă observarea lui [22]. Oare, leptogeneza constituie cu adevărat sursa ultimă a materialităţii lumii noastre? Există, oare, şi al patrulea tip de neutrino, acel neutrino singlet, greu şi instabil, sau acesta nu-i decât rodul unei construcţii teoretice elaborate? Vor confirma, oare, experienţele viitoare existenţa acestui al patrulea tip de neutrino? Dacă da, violarea simetriei leptonice CP, împreună cu neutrinii Majorana (0ν2β) ar induce ca fiind plauzibilă ideea existenţei acelui neutrino greu νR, scalat de noua fizică la mR, şi, implicit, a asimetriei cosmologice materie-antimaterie (prin mecanismul leptogenezei), precum şi a minusculei valori de masă a neutrinului Majorana (din mecanismul seesaw).

Aceste particule fantomă, neutrinii, reprezintă, deci, la ora actuală, fragmentele materiale ale unei noi fizici şi a supersimetriei care se nasc sub ochii noştri, şi, care, împreună cu alte fragmente de astro-particule, îşi vor revărsa într-o bună zi, lumina certitudinii lor asupra unei noi reprezentări a lumii nostre materiale, în toată splendoarea ei divină.

BIBLIOGRAFIE

  1. BARGER, V.; MARFATIA, D.; WHISNANT, K. L.: The Physics of Neutrinos. Princeton University Press, 2012.
  2. WINTER, K.: Neutrino Physics. Cambridge University Press, 2000.
  3. CLOSE, F.: Neutrino. Oxford University Press, 2010.
  4. GRIFFITHS, D. J.: Introduction to Elementary Particles, Wiley, John & Sons Inc., 1987.
  5. BROMLEY, D. A.: Gauge Theory of Weak Interactions, 2000, Springer.
  6. *** Neutrino – A Review of the Universe ; https://universe-review.ca/R15-13-neutrino.htm.
  7. *** http://www.hwdsb.on.ca/hillpark/departments/science/Watts/Interesting_Readings/Physics _Papers/ Neutrino_Metamorphosis. pdf.
  8. INFN – press release: The Metamorphosis of a Neutrino Directly Observed for the First Time – http:// www.infn.it/news/newsen.php?id=576 ; 31-05-2010.
  9. NITA, L.: https://www.facebook.com/.
  10. BROMLEY, D. A.: Gauge Theory of Weak Interactions, 2000, Springer.
  11. PONTECORVO, B.: Zh. Eksp. Teor. Fiz. 33, 549 (1957) şi 34, 247 (1958).
  12. MAKI, Z.; NAKAGAWA, M.; SAKATA, S.: Prog. Theor. Phys. 28, 870 (1962).
  13. *** http://brahms.fizica.unibuc.ro/sitecentru/Raport%20etapa%202.pdf.
  14. MURAYAMA, Hitoshi: Origin of Neutrino Mass. Physics World, May 2002.
  15. *** http://hitoshi.berkeley.edu/neutrino/neutrino5.html.
  16. MOSKOWITZ, Clara: Scientific American, 2014, November 4th.
  17. *** Matter Antimatter Asymmetry; https://universe-review.ca/R02-14-CPviolation.htm.
  18. MOSKOWITZ, Clara: Scientific American, 2015, February 20th.
  19. *** http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/physics/current/teach/module_home/px435/lec_ oscillations.pdf March 24, 2015.
  20. ELLIS, J.: Why does CP violation matter to the universe? – September, 1999 in cerncourier. com/cws/ article/cern/28092.
  21. *** Neutrino Physics, în https://sharepoint.washington.edu/phys/research/Pages/Neutrino-Physics.aspx.
  22. LISI, Eligio (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – INFN), Neutrinos: Theory Review – Proceedings of ICHEP 2010/35 (International Conference on High Energy Physics); INIS-Vol.42, INIS Issue13/2010.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.