O neutrino é sua própria antipartícula?

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Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova.

Por Signe Brewster
Publicado na Symmetry Magazine

Quase toda partícula tem uma contraparte de antimatéria: uma partícula com a mesma massa, mas com carga oposta, entre outras qualidades.

Isso parece acontecer também com os neutrinos, partículas minúsculas que estão constantemente nos atravessando. A julgar pelas partículas liberadas quando um neutrino interage com outra matéria, os cientistas podem dizer quando eles detectam um neutrino ou um antineutrino.

Mas certas características dos neutrinos e dos antineutrinos fazem os cientistas se perguntarem: eles são a mesma coisa? Neutrinos são suas próprias antipartículas?

Eles não seriam os únicos. Glúons e até mesmo bósons de Higgs são considerados suas próprias antipartículas. Mas se os cientistas descobrirem que os neutrinos são suas próprias antipartículas, isso poderia ser um indício a respeito de onde eles conseguem suas minúsculas massas – e se eles desempenharam um papel na existência de nosso universo dominado pela matéria.

Dirac x Majorana 

A ideia da antipartícula surgiu em 1928, quando o físico britânico Paul Dirac desenvolveu o que ficou conhecido como a equação de Dirac. Seu trabalho procurou explicar o que aconteceria quando os elétrons se movessem perto da velocidade da luz. Mas seus cálculos resultaram em uma exigência estranha: os elétrons às vezes têm energias negativas.

“Foi quando Dirac escreveu sua equação que ele aprendeu que existem antipartículas”, diz André de Gouvêa, físico teórico e professor da Universidade Northwestern. “Antipartículas são uma consequência de sua equação”.

O físico Carl Anderson descobriu o parceiro de antimatéria do elétron que Dirac previu em 1932. Ele o chamou de pósitron – uma partícula como um elétron, mas com carga positiva.

Dirac previu que, além de terem cargas opostas, os parceiros de antimateria deveriam ter uma outra característica oposta chamada quiralidade, o que representa uma das propriedades quanticas inerentes que uma partícula tem. Uma partícula pode ter uma quiralidade destra ou canhota.

A equação de Dirac permitiu que neutrinos e antineutrinos fossem diferentes partículas, e, como resultado, quatro tipos de neutrinos seriam possíveisl: neutrinos com quiralidade esquerda e direita e antineutrinos com quiralidade esquerda e direita.

Mas se os neutrinos não tivessem massa, como os cientistas pensavam na época, apenas neutrinos canhotos e antineutrinos destros seriam necessários existir.

Em 1937, o físico italiano Ettore Majorana estreou outra teoria: neutrinos e antineutrinos são realmente a mesma coisa. A equação Majorana descreveu neutrinos que, se por acaso tivessem massa, poderiam se transformar em antineutrinos e, em seguida, voltarem a ser neutrinos novamente.

Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova.
Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova.

O desequilíbrio matéria-antimatéria 

Saber se a massa dos neutrinos era zero permaneceu um mistério até 1998, quando os experimentos Super-Kamiokande e SNO descobriram que eles realmente têm massas muito pequenas – uma conquista reconhecida com o Prêmio Nobel de Física em 2015. Desde então, as experiências surgiram em toda a Ásia, Europa e América do Norte em busca de indícios de que o neutrino seja a sua própria antipartícula.

A chave para encontrar esta evidência é algo chamado de conservação do número lepton. Os cientistas a consideram uma lei fundamental da natureza, onde o número leptônico é conservado, o que significa que o número de léptons e anti-léptons envolvidos em uma interação deve permanecer o mesmo antes e após a interação ocorrer.

Os cientistas pensam que, logo após o Big Bang, o universo deveria ter quantidades iguais de matéria e antimatéria. Os dois tipos de partículas deveriam ter interagido, e gradualmente se aniquilariam até que nada além de energia restasse. De alguma forma, não foi isso o que aconteceu.

Descobrir que o número leptônico não foi conservado abriria uma brecha que permitiria o atual desequilíbrio entre matéria e antimatéria. E as interações dos neutrinos pode ser o lugar para descobrir que brecha.

Decaimento beta duplo sem neutrino 

Os cientistas estão procurando a violação do número leptônico em um processo chamado decaimento beta duplo, diz o teórico do SLAC Alexander Friedland, que se especializou no estudo de neutrinos.

Na sua forma mais comum, o decaimento beta duplo é um processo no qual um núcleo decai em um núcleo diferente e emite dois elétrons e dois antineutrinos. Isso equilibra a matéria e a antimatéria leptônica antes e após o processo de deterioração, por isso conserva número leptônico.

Se os neutrinos são suas próprias antipartículas, é possível que os antineutrinos emitidos durante o decaimento beta duplo poderiam se aniquilar e desaparecer, violando a conservação do número leptônico. Isso é chamado de decaimento beta duplo sem neutrino.

Tal processo favoreceria a matéria sobre a antimatéria, criando um desequilíbrio.

“Teoricamente ele poderia causar uma profunda revolução na nossa compreensão de onde partículas adquirem sua massa”, diz Friedland. “Também nos diria que deve haver uma nova física em escalas de altíssimas energias – algo novo além do Modelo Padrão que conhecemos e amamos”.

É possível que neutrinos e antineutrinos sejam diferentes, e que há dois estados de neutrinos e anti-neutrinos, conforme previsto na equação de Dirac. Os dois estados que faltam poderiam ser tão fugazes que os físicos ainda não conseguiram identificar.

Mas detectar evidência do decaimento beta duplo sem neutrino seria um sinal de que Majorana teve a ideia certa – neutrinos e antineutrinos são a mesma coisa.

“Essas são experiências muito difíceis”, diz de Gouvêa. “Eles são semelhantes aos experimentos de matéria escura no sentido de que eles têm de ser feitos em ambientes muito tranquilos com detectores muito limpos e sem radioatividade de qualquer fonte, exceto do núcleo que você está tentando estudar”.

Os físicos ainda estão avaliando sua compreensão das partículas indescritíveis.

“Têm muitas surpresas vindo da física de neutrinos”, diz Reina Maruyama, professor da Universidade de Yale associado ao experimento de decaimento beta duplo sem neutrino CUORE. “Eu acho que é realmente emocionante pensar sobre o que nós não sabemos”.

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