Oscilació de neutrins

Archiu:41467 2015 Article BFncomms7935 Fig1 HTML-en.svg

Oscilació de neutrins

En física de partícules les oscilacions de neutrins són un fenomen mecànic quàntic a on un neutrí creat en un sabor leptónico específic (electró, muon o tau) és posteriorment medit en un sabor distint. La provabilitat de medir un sabor particular per a un neutrí varia periòdicament a mida que es propaga a través de l'espai / temps.

Predit per primera volta per Bruno Pontecorvo en 1957, l'oscilació de neutrins ha segut observada des de llavors en una multitut d'experiments en varis contexts diferents. Ademés, va resultar ser la solució al problema dels neutrins solars de llarga duració.

L'oscilació de neutrins és de gran interés teòric i experimental, ya que l'observació del fenomen implica que el neutrí té una massa no nula, característica que no estava inclosa com a part del model estàndar de física de partícules.

El descobriment de la prova de l'oscilació de neutrins, i, per lo tant, de la massa del neutrino, feta per Takaaki Kajita en l'Observatori SuperKamiokande i Arthur McDonald en l'Observatori de neutrins de Sudbury va supondre per a ells l'obtenció del Premi Nobel de Física de 2015.

Teoria

L'oscilació de neutrins sorgix de la mescla entre els estats propis de sabor i massa dels neutrins. És dir, els tres estats de neutrins que interactuen en els leptones carregats en interaccions dèbils són cada u d'ells una superposició diferent dels tres estats de neutrins (que es propaguen) de massa definida. Els neutrins s'emeten i absorbixen en processos dèbils en estats propis de sabor pero viagen com estats propis de massa.

A mida que una superposició de neutrins es propaga a través de l'espai, les fases de la mecànica quàntica dels tres estats de massa de neutrins alvancen a velocitats llaugerament diferents, per les llaugeres diferències en les seues respectives masses. Açò dona com resultat una mescla de superposició canviant d'estats propis de massa a mida que viaja el neutrino; pero una mescla diferent d'estats propis de massa correspon a una mescla diferent d'estats de sabor. Per eixemple, un neutrí naixcut com neutrí electrònic serà una mescla de neutrí electrònic, mu i tau despuix de viajar una certa distància. Ya que la fase de la mecànica quàntica alvança de forma periòdica, despuix de certa distància l'estat casi tornarà a la mescla original i el neutrí tornarà a ser principalment neutrí electrònic. El contingut de sabor electrònic del neutrí continuarà oscilant – sempre i quan l'estat de la mecànica quàntica mantinga la coherència. Ya que les diferències de massa entre els sabors de neutrins són chicotetes en comparació a les llargues llongituts de coherència de les oscilacions de neutrins, este efecte quàntic microscòpic es torna observable a distàncies macroscòpiques.

Pel contrari, per la seua major massa, mai s'ha observat que els leptones carregats (electrons, muones i leptones tau) oscilen. En la desintegració beta nuclear, la desintegració de muones, la desintegració de piones i la desintegració de kaones, quan s'emeten un neutrí i un leptón carregat, el leptón carregat s'emet en estats propis de massa incoherents com |Plantilla:SubatomicParticle〉, per la seua gran massa. Els acoplament de força dèbil obliguen al neutrí emés simultàneament a estar en una superposició "leptoncéntrica carregada" com |Plantilla:SubatomicParticle〉, que és un estat propi d'un "sabor" que està fixat per l'estat propi de massa de l'electró, i no en un dels estats propis de massa del neutrino. Degut a que el neutrí està en una superposició coherent que no és un estat propi de massa, la mescla que constituïx eixa superposició oscila significativament a mida que viaja. No existix cap mecanisme anàlec en el model estàndar que faça que els leptones carregats oscilen de manera detectable. En les quatre desintegracions mencionades anteriorment, a on el leptón carregat s'emet en un estat propi de massa únic, el leptón carregat no oscilarà, ya que els estats propis de massa única es propaguen sense oscilació.

El cas de la desintegració del bosón W (real) és més complicat: W la desintegració del bosón és lo suficientment energètica com per a generar un leptón carregat que no es troba en un estat propi de massa; no obstant, el leptón carregat perdria coherència, si la tinguera, en distàncies interatómicas (0,1 nm) i per lo tant cessaria ràpidament qualsevol oscilació significativa. Més important encara, cap mecanisme en el Model Estàndar és capaç de fixar un leptón carregat en un estat coherent que, en primer lloc, no siga un estat propi de massa; en canvi, mentres que el leptón carregat del W La desintegració del bosón no es troba inicialment en un estat propi de massa, ni en cap estat propi "neutrinocéntrico", ni en cap atre estat coherent. No es pot dir de manera significativa que un leptón carregat i sense traces distintives oscile o que no oscile, ya que qualsevol transformació de "oscilació" simplement ho deixaria en el mateix estat genèric que tenia abans de l'oscilació. Per lo tant, la detecció d'una oscilació leptónica carregada des de W La desintegració de bosones és inviable en múltiples nivells.

Matriu Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata

L'idea de l'oscilació de neutrins va ser proposta per primera volta en 1957 per Bruno Pontecorvo, qui va propondre que les transicions neutrino-antineutrí poden ocórrer en analogia en la mescla de kaones neutres. Encara que no s'havia observat tal oscilació matèria-antimatèria, esta idea va formar la base conceptual per a la teoria quantitativa de l'oscilació del sabor dels neutrins, que va ser desenrollada per primera volta per Maki, Nakagawa i Sakata en 1962 i elaborada més alvance per Pontecorvo en 1967. Un any més tart es va observar per primera volta el dèficit de neutrins solars, i a això va seguir el famós artícul de Gribov i Pontecorvo publicat en 1969 titulat "Astronomia de neutrins i càrrega de leptones".

El concepte de mescla de neutrins és un resultat natural de les teories de calibre en neutrins massius, i la seua estructura es pot caracterisar en general. En la seua forma més simple, s'expressa com una transformació unitària que relaciona la base pròpia de sabor i massa i es pot escriure com:

___MATH_0___

___MATH_1___

on:

• ___MATH_2___ és un neutrí en sabor definit α = i (electró), μ (muón) o τ (tauón),
• ___MATH_3___ és un neutrí en massa definida ___MATH_4______MATH_5___

• l'asterisc (___MATH_6___) representa un conjugat complex; per als antineutrins, el conjugat complex deu eliminar-se de la primera equació i insertar-se en la segona.

___MATH_7___ representa la matriu Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (també cridada matriu PMNS, matriu de mescla de leptones o, a voltes, simplement matriu MNS). És l'anàlec de la matriu CKM que descriu la mescla anàloga de quarks. Si esta matriu fora la matriu d'identitat, llavors els estats propis de sabor serien els mateixos que els estats propis de massa. No obstant, els experiments demostren que no és aixina.

Quan es considera la teoria estàndar dels tres neutrins, la matriu és 3×3. Si només es consideren dos neutrins, s'utilisa una matriu de 2×2. Si s'agreguen un o més neutrins estèrils (vore més alvance), és de 4×4 o més. En la forma 3×3, ve dau per:

___MATH_8___