Dirac or Majorana Neutrinos: Phenomenological Consequences

O presente projeto tem como objetivo investigar as consequências fenomenológicas da hierarquia de origem da massa dos neutrinos, concentrando-se no estudo do decaimento duplo beta sem emissão de neutrinos.

Resumo

Os neutrinos são partículas elementares inicialmente propostas por Wolfgang Pauli em 1930 para explicar o espectro contínuo observado no decaimento beta, assegurando a conservação da energia, do momento linear e do momento angular. Inseridos no Modelo Padrão da física de partículas como férmions pertencentes à família dos léptons, os neutrinos apresentam-se na natureza em três estados de sabor interativos via força fraca: eletrônico ($\nu_e$), muônico ($\nu_\mu$) e tauônico ($\nu_\tau$).

Durante décadas, assumiu-se que essas partículas possuíam massa estritamente nula. Contudo, evidências experimentais contundentes, lideradas pelos observatórios Super-Kamiokande e Sudbury Neutrino Observatory (SNO), demonstraram o fenômeno da oscilação de neutrinos. Essa metamorfose de sabor durante a propagação no espaço-tempo provou inequivocamente que os neutrinos possuem massa e que os autoestados de interação (sabor) diferem dos autoestados de propagação livre (massa), sendo ambos conectados pela matriz de mistura unitária de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS).

Embora os experimentos de oscilação meçam com extrema precisão as diferenças dos quadrados das massas ($\Delta m_{ij}^2$), eles são fundamentalmente insensíveis à escala absoluta de massa e, crucialmente, à natureza intrínseca dessa massa. Como os neutrinos são os únicos férmions elementares eletricamente neutros do Modelo Padrão, eles admitem duas formulações teóricas distintas para a geração de massa. Podem adquiri-la através do clássico mecanismo de Brout-Englert-Higgs, comportando-se como partículas de Dirac ($\nu \neq \bar{\nu}$), ou podem possuir um termo de massa que os caracteriza como férmions de Majorana, cenário em que a partícula torna-se indistinguível de sua própria antipartícula ($\nu = \bar{\nu}$)

A distinção entre as naturezas de Dirac e Majorana não é apenas uma formalidade algébrica, mas uma questão com profundas consequências para a física fundamental. A confirmação da hipótese de Majorana implicaria diretamente na violação da conservação do número leptônico ($\Delta L = 2$), fornecendo o embasamento teórico para explicar a assimetria entre matéria e antimatéria no universo primordial. O canal fenomenológico mais promissor para atestar essa hipótese é a busca pelo decaimento duplo beta sem emissão de neutrinos ($0\nu\beta\beta$), um processo nuclear raro onde dois nêutrons decaem simultaneamente em dois prótons e dois elétrons, sem a emissão de antineutrinos, mediado pela massa de Majorana.

Este projeto, portanto, visa realizar um estudo analítico e teórico aprofundado das consequências fenomenológicas associadas à natureza da massa dos neutrinos. A pesquisa focará na derivação do formalismo dos férmions de Majorana, na estrutura da matriz de mistura PMNS estendida com as fases de violação de simetria CP e na formulação matemática da massa efetiva de Majorana ($\langle m_{\beta\beta} \rangle$). Busca-se, com isso, consolidar o arcabouço físico-matemático necessário para compreender como a hipótese de Majorana dita as taxas de transição do decaimento $0\nu\beta\beta$, conectando a teoria de campos fundamentais aos observáveis de Nova Física.

Palavras-chave:

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Referências

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