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Decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos: Mecanismo de estudo da física além do modelo padrão

O modelo padrão de partículas elementares


O modelo padrão de partículas é a teoria que melhor explica a natureza da matéria, descrevendo bem as partículas subatômicas e suas interações [1]. Tudo é controlado por forças, pelo menos por enquanto, inclui três das quatro forças fundamentais da natureza junto com seus mensageiros, partículas que transmitem a interação entre as partículas elementares [2]. No Modelo Padrão da Física de Partículas, o neutrino é uma partícula sem carga elétrica, sem carga de cor e sem massa, interagindo apenas fracamente, conhecida como partícula de Dirac, que em essência é uma partícula diferente de sua antipartícula. No entanto, com a descoberta das oscilações de neutrinos e, consequentemente, dos estados massivos dos neutrinos, surgiu a necessidade de se postular mecanismos de geração de massa além do Mecanismo de Higgs, ou seja, além do modelo padrão [3].


Sabe-se que o neutrino é o único férmion que não possui nenhum número quântico cuja soma se conserva e que nos permita diferencia-lo de sua antipartícula (antineutrino). Isso torna possível que o neutrino seja uma partícula de Majorana, ou seja, o neutrino é idêntico ao antineutrino (ν = ν̃). Nesse caso, também estaria permitido o DBD sem emissão de neutrinos (0νDBD), indicando que o neutrino emitido por um nêutron é absorvido por outro nêutron dentro do núcleo, como indicado na Figura 1.

No próximo dia 11 de maio (quinta-feira), das 14h às 15h30, será realizado 100% online o seminário “Decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos: Mecanismo para estudo da física além do modelo padrão” que será ministrado pelo Prof. Dr. Vitor dos Santos Ferreira, egresso do Mestrado Acadêmico PROFÍSICA, Doutor em Física pela UERJ e atualmente Professor Substituto na Universidade Federal do Recôncavo da Bahia (UFRB).


Neste seminário será falado sobre um processo nuclear que, caso seja detectado, pode ser considerado como porta de entrada para física além do modelo padrão. Mas antes de aprofundar: o que é o modelo padrão de partículas?


Figura 1: Diagrama de Feynman para os modos de decaimento beta duplo: A esquerda tem-se o decaimento com emissão de dois neutrinos (2ν−DBD) e a direita tem-se o decaimento sem emissão de neutrinos (0ν−DBD).



Decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos: Mecanismo para estudo da física além do modelo padrão


O decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos é um exemplo de processo eletrofraco de segunda ordem que viola a conservação do número de léptons em duas unidades. Esse processo ocorre quando dois nêutrons decaem simultaneamente em dois prótons dentro do núcleo com a emissão de dois elétrons. Isso acontece caso o neutrino seja tratado como um férmion de Majorana. Os neutrinos de Majorana são a chave para alcançar respostas da assimetria presente no universo entre a matéria e antimatéria, uma vez que possibilitam o processo de criação de matéria sem a presença da antimatéria. Assim, a melhor forma de encontrar respostas sobre a natureza do neutrino (Dirac ou Maiorana) ou a existência das correntes de neutrinos direitas e o entendimento da não conservação do número de léptons é através das taxas de transição do decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos, pois estas dependem de vários parâmetros desconhecidos (constantes de acoplamento direitas do hamiltoniano eletrofraco, ou a massa efetiva do neutrino), que podem ser extraídos a partir das meias-vidas do decaimento.


Grandes grupos de pesquisa buscam detectar a principal assinatura experimental que consiste no sinal monoenergético com a intensidade do valor Q de reação, carregado pelos dois elétrons juntos, mas até agora essa assinatura não foi alcançada, (ver Figura 2). Se isso acontecer, implicaria a primeira observação de um processo de criação de matéria sem a emissão de equilíbrio de antimatéria e, conseqüentemente, estabeleceria a natureza dos neutrinos de Majorana.


Figura 2: A soma dos espectros de energia dos dois elétrons emitidos no decaimento beta duplo: i) Linha azul para o modo com emissão de dois neutrinos, e ii) Linha vermelha, para o modo sem emissão de neutrinos. Fonte: https://physics.aps.org/articles/v11/30



O que é Férmion de Majorana?


Férmion de Majorana é uma partícula elementar hipotética que é sua própria antipartícula, ou seja, possui carga neutra. Esse tipo de partícula foi proposto pelo físico italiano Ettore Majorana em 1937, e ainda não foi detectada experimentalmente. A existência do férmion de Majorana tem implicações importantes na física de partículas e na cosmologia, incluindo a possibilidade de explicar a assimetria matéria-antimatéria do universo e a existência de matéria escura. As pesquisas em busca dessas partículas estão em andamento em laboratórios de física de partículas em todo o mundo.


A Física Nuclear e sua importância à vida humana


Tudo o que foi explicado acima ocorre dentro da Física Nuclear que tem como objetivo a investigação da origem, evolução, estrutura e fases da matéria nuclear sujeita à interação forte, por meio do desenvolvimento de modelos preditivos.


Questões fundamentais em aberto levaram a Física Nuclear a ampliar seus horizontes e hoje seu alcance se estende desde o estudo das partículas mais fundamentais, como os quarks, até gigantescas estruturas do universo, como as supernovas.


A Física Nuclear tem possibilitado, por meio da medicina nuclear, o surgimento de tecnologias de grande impacto à saúde humana, como o aprimoramento de exames médicos cada vez mais eficazes, produzindo imagens de alta resolução com menor impacto à pele humana.


Além disso, não se pode esquecer que cerca de 11% da energia produzida no mundo vem de reatores nucleares. Atualmente a energia nuclear está sendo cada vez mais estudada como a melhor alternativa futura de energia sustentável, devido à sua alta eficiência e baixa emissão de gases de efeito estufa. Embora existam preocupações com relação ao gerenciamento seguro dos resíduos nucleares, muitos países estão investindo em soluções para resolver esse problema.


Decaimento beta duplo sem emissão de neutrino será o tema do 2o Seminário PROFÍSICA - Temporada 2023


No próximo dia 11 de maio (quinta-feira), das 14h às 15h30, será realizado 100% online o seminário “Decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos: Mecanismo para estudo da física além do modelo padrão” que será ministrado pelo Prof. Dr. Vitor dos Santos Ferreira, egresso do Mestrado Acadêmico PROFÍSICA, Doutor em Física pela UERJ e atualmente Professor Substituto na Universidade Federal do Recôncavo da Bahia (UFRB).


Neste seminário será falado sobre um processo nuclear que, caso seja detectado, pode ser considerado como porta de entrada para física além do modelo padrão. Mas antes de aprofundar: o que é o modelo padrão de partículas?



Perfil acadêmico Prof. Dr. Vitor dos Santos Ferreira

Doutor em Física pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (2020), Mestre em Física (2016) e Bacharel em Física (2014) pela Universidade Estadual de Santa Cruz. Recentemente realizou um estágio de pós-doutorado por um período de 10 meses na UESC (2022) e atualmente é professor substituto na Universidade Federal do Recôncavo da Bahia. Tem experiência em Física Nuclear, com ênfase em estrutura nuclear de transições com dupla troca de carga, utilizando os seguintes modelos microscópicos: Quasiparticle

Tamm-Dancoff Approximation (QTDA), Quasiparticle Random Phase Approximation (QRPA) e extensões.


Contato: vitordsferreira@gmail.com


Escritor por:

Prof. Dr. Vitor dos Santos Ferreira, UFRB

Prof. Dr. André Luis Ribeiro, UESC-PROFÍSICA

Flávia Vitória, MBA, ADECCUA Assessoria de Comunicação @adeccua


Fontes:

[2] MOREIRA, Marco Antonio. O modelo padrão da física de partículas. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 31, p. 1306.1-1306.11, 2009.

[3] NOGUEIRA, Higo Barros. Neutrinos massivos e mecanismo de geração de massa em uma extensão abeliana do modelo padrão. 2023.



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