A hierarquia de massa dos neutrinos é uma questão em aberto na física de partículas. Os neutrinos são as partículas mais leves do Modelo Padrão que se sabe terem massa. Medições experimentais de oscilação de neutrinos só podem determinar as diferenças entre as massas dos neutrinos, não as massas absolutas. Portanto, existem duas disposições possíveis consistentes com os dados atuais: a ordenação normal (ON) e a ordenação invertida (OI), também chamadas de hierarquia normal (HN) e hierarquia invertida (HI). Estabelecer a hierarquia de massas é um tópico de pesquisa ativo, com vários experimentos em andamento investigando-a.
Mistura e oscilação de neutrinos
Existem três tipos de neutrinos definidos com base em seu papel na interação fraca: o neutrino do elétron
ν
e
{\displaystyle \nu _{e}}
, o neutrino do múon
ν
μ
{\displaystyle \nu _{\mu }}
e o neutrino do tau
ν
τ
{\displaystyle \nu _{\tau }}
. Estes são conhecidos como autoestados de sabor. Cada um desses estados de sabor não está associado a uma massa independente, mas é uma mistura (superposição quântica) dos três autoestados de massa. Matematicamente, os autoestados de sabor e massa estão relacionados através de uma matriz unitária
3 × 3
{\displaystyle 3\times 3}
, chamada de matriz PMNS:
[
ν
e
ν
μ
ν
τ
]
=
[
U
e
1
U
e
2
U
e
3
U
μ 1
U
μ 2
U
μ 3
U
τ 1
U
τ 2
U
τ 3
]
[
ν
1
ν
2
ν
3
]
{\displaystyle {\begin{bmatrix}~\nu _{\mathrm {e} }\\~\nu _{\mu }\\~\nu _{\tau }~\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}~U_{\mathrm {e} 1}~&~U_{\mathrm {e} 2}~&~U_{\mathrm {e} 3}\\~U_{\mu 1}&~U_{\mu 2}~&~U_{\mu 3}\\~U_{\tau 1}~&~U_{\tau 2}~&~U_{\tau 3}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}~\nu _{1}\\~\nu _{2}\\~\nu _{3}~\end{bmatrix}}~}
onde letras gregas denotam os estados de sabor e numerais arábicos denotam os estados de massa. Os neutrinos se propagam como autoestados de massa, pois estes são os estados com energia definida e, portanto, evolução temporal bem definida. As oscilações entre estados de sabor dependem da energia do neutrino, da distância percorrida e da diferença quadrática entre os autoestados de massa
Δ
m
2
{\displaystyle \Delta m^{2}}
.
Hierarquia de massa dos neutrinos
Como apenas as diferenças de massa dos autoestados de massa dos neutrinos podem ser medidas, existem duas ordenações possíveis:
a ordenação normal (ON) é
m
1
<
m
2
<
m
3
,
{\displaystyle \ m_{1}<m_{2}<m_{3}\ ,\ }
e a ordenação invertida (OI) é
m
3
<
m
1
<
m
2
.
{\displaystyle \ m_{3}<m_{1}<m_{2}~.}
As duas ordenações são distinguidas pela posição de
m
3
.
{\displaystyle \ m_{3}~.}
A menor diferença de massa ao quadrado
Δ
m
12
2
=
m
2
2
−
m
1
2
{\displaystyle \ \Delta m_{12}^{2}=m_{2}^{2}-m_{1}^{2}\ }
vem das observações do fluxo de neutrinos do Sol e sabe-se que é positiva. Por outro lado, a diferença maior delta
Δ
m
3 l
2
=
m
3
2
−
m
l
2
{\displaystyle \ \Delta m_{3\ell }^{2}=m_{3}^{2}-m_{\ell }^{2}\ }
(onde
l = 2
{\displaystyle \ \ell =2\ }
para ON e
l = 1
{\displaystyle \ \ell =1\ }
para OI) é obtida a partir de oscilações em neutrinos atmosféricos causados por raios cósmicos. Atualmente, a ON é favorecida em relação à OI. De acordo com a análise global mais recente (setembro de 2024) das medições de oscilação de neutrinos pelo projeto NuFIT:
Δ
m
21
2
= 7
.
49
− 0
.
19
+ 0
.
19
×
10
− 5
e V
2
,
{\displaystyle \ \Delta m_{21}^{2}=7{.}49_{-0{.}19}^{+0{.}19}\times 10^{-5}\ \mathrm {eV} ^{2}\ ,}
Δ
m
3 l
2
=
2.513
− 0
.
019
+ 0
.
021
×
10
− 3
e V
2
{\displaystyle \ \Delta m_{3\ell }^{2}=2.513_{-0{.}019}^{+0{.}021}\times 10^{-3}\ \mathrm {eV} ^{2}\ }
para ON, ou
Δ
m
3 l
2
= − 2
.
484
− 0
.
020
+ 0
.
020
×
10
− 3
e V
2
{\displaystyle \ \Delta m_{3\ell }^{2}=-2{.}484_{-0{.}020}^{+0{.}020}\times 10^{-3}\ \mathrm {eV} ^{2}\ }
para OI. Os dados aqui incluem resultados de neutrinos atmosféricos dos experimentos Super-Kamiokande e IceCube. Mesmo que o problema da hierarquia de massas seja resolvido, a escala absoluta das massas permaneceria indefinida. No entanto, limites superior e inferior para as massas são obtidos a partir de experimentos de decaimento beta, observações cosmológicas e processos propostos como o decaimento beta duplo sem neutrinos. Por exemplo, estudos da radiação cósmica de fundo e levantamentos da estrutura em grande escala do universo fornecem um limite superior para a soma das três massas dos neutrinos. A hierarquia de massa dos neutrinos continua sendo um problema em aberto na física de neutrinos, juntamente com a questão de saber se eles são fermiões de Dirac ou Majorana, e a fase de violação CP da matriz de mistura de neutrinos.
Referências
