Os autores de um estudo publicado em Revisão Física D mostraram que o espalhamento coerente de neutrinos com núcleos fornece uma nova maneira de medir os raios de carga dos neutrinos. Essa interação foi teoricamente prevista há mais de 40 anos, mas a dificuldade de medir o recuo nuclear muito pequeno inibiu sua observação experimental até 2017 pelo experimento COHERENT.
Usando os dados COHERENT, os autores deste artigo foram capazes de estabelecer limites nos raios de carga do neutrino, e, pela primeira vez, limites nos raios de carga de transição de neutrino, que são quantidades além do modelo padrão da física de partículas.
Os neutrinos são amplamente considerados partículas neutras, Mas na realidade, eles podem ter uma carga elétrica muito pequena, e é muito provável que tenham raios de carga. De fato, no modelo padrão, neutrinos têm raios de carga muito pequenos da ordem de 10 -33 centímetros quadrados.
Até agora, os raios de carga de neutrino foram pesquisados em experimentos de espalhamento elástico de neutrino-elétrons. Para pequena transferência de energia, tanto a seção transversal do modelo padrão quanto o efeito dos raios de carga do neutrino no caso de espalhamento elástico de neutrino-elétron acabam sendo menores por um fator da ordem da massa nuclear dividida pela massa do elétron em relação ao caso de espalhamento elástico do núcleo do neutrino. Portanto, em termos de coleta de dados, experimentos de espalhamento de neutrino-núcleo elástico coerente têm um potencial maior para investigar os raios de carga de neutrino do que medições de espalhamento de elétron de neutrino.
Na teoria fundamental das interações eletromagnéticas de neutrinos, os raios de carga do neutrino são definidos para neutrinos massivos. Contudo, os efeitos das oscilações de neutrino podem ser desprezados para experimentos com uma curta distância entre a fonte de neutrino e o detector, como na configuração do experimento COHERENT. Nesse caso, o raio de carga efetivo de um neutrino de sabor é relevante, onde "sabor" significa elétron, neutrinos muon ou tau. Já que no limite ultra-relativístico, o fator de forma de carga conserva a helicidade de neutrino como as interações fracas do modelo padrão, a contribuição do raio de carga do neutrino para o espalhamento elástico de neutrinos com uma partícula carregada adiciona coerentemente às interações fracas do modelo padrão e pode ser expressa através da mudança no ângulo de mistura fraco, também conhecido como ângulo de Weinberg.
Esta prescrição leva em consideração as contribuições para as interações dos neutrinos dos raios de carga dos três neutrinos de sabor. Estes são os únicos raios de carga que existem no modelo padrão, porque os números de leptões de geração são conservados. Contudo, em teorias além do modelo padrão, os neutrinos podem ter raios de carga de transição que alteram o sabor do neutrino. Por exemplo, em teorias massivas de neutrinos, os raios de carga são definidos na base de massa dos neutrinos que se propagam fisicamente, de modo que, mesmo que a matriz dos raios de carga do neutrino seja diagonal na base de massa, raios de carga de transição são gerados pela mistura, um fenômeno de mecânica quântica que implica que um neutrino criado com um número específico de família de leptões pode mais tarde ser medido para ter um número de família de leptões diferente.
Os autores obtiveram limites nos raios diagonais de carga e nos raios de carga de transição a partir de análises do espectro de energia COHERENT integrado no tempo e os dados COHERENT dependentes do tempo, levando em consideração a incerteza das distribuições de nêutrons em césio e iodo (o material alvo de o experimento), parametrizado pelos raios quadrados médios da raiz nuclear correspondente. Os autores mostraram que as informações de tempo dos dados COHERENT restringem as faixas permitidas dos raios de carga, especialmente o dos neutrinos do múon, que ficou na faixa de −8 × 10 -32 para 11 × 10 -32 centímetros quadrados com um nível de confiança de 90 por cento.
Estes resultados mostram perspectivas promissoras para experimentos de espalhamento de núcleo de neutrino atuais e futuros.
