Pesquisadores do Laboratório do Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) da Michigan State University (MSU) deram um grande passo em direção a uma descrição teórica dos primeiros princípios do decaimento beta duplo sem neutrinos. A observação desse processo nuclear raro ainda não confirmado teria implicações importantes para a física de partículas e a cosmologia. Simulações teóricas são essenciais para o planejamento e avaliação dos experimentos propostos. A equipe de pesquisa apresentou seus resultados em um artigo publicado recentemente em Cartas de revisão física .

Os teóricos da FRIB, Jiangming Yao, associado de pesquisa e autor principal do estudo, Roland Wirth, pesquisador associado, e Heiko Hergert, professor assistente, são membros de uma colaboração tópica sobre simetrias fundamentais e decaimento beta duplo sem neutrinos. O Departamento de Energia dos Estados Unidos do Escritório de Ciência de Física Nuclear está financiando a colaboração tópica. Os teóricos uniram forças com outros membros da colaboração temática da Universidade da Carolina do Norte-Chapel Hill e colaboradores externos da Universidad Autonoma de Madrid, Espanha. Seu trabalho é um marco importante em direção a um cálculo teórico das taxas de decaimento beta duplo sem neutrinos com incertezas totalmente controladas e quantificadas.

Os autores desenvolveram o método In-Medium Generator-Coordinate (IM-GCM). É uma nova abordagem para modelar as interações entre núcleos que é capaz de descrever a estrutura complexa dos núcleos candidatos para este decaimento. A primeira aplicação de IM-GCM para o cálculo da taxa de decaimento beta duplo sem neutrinos para o núcleo de cálcio-48 prepara o terreno para explorações de outros candidatos com incerteza teórica controlável.

No decaimento beta duplo sem neutrinos, dois prótons se transformam simultaneamente em nêutrons sem emitir os dois neutrinos que aparecem nos processos de interação fraca mais típicos. Se existe, este é um decaimento extremamente raro que se espera ter uma meia-vida superior a 10 setilhões de anos (um 1 com 25 zeros), o que significa que metade de uma amostra de núcleos teria sofrido decaimento beta duplo sem neutrinos neste período extremamente longo.

Sua observação demonstraria que os neutrinos são suas próprias antipartículas. Cada partícula subatômica tem uma antipartícula correspondente, que tem a mesma massa, mas uma carga igual e oposta. Partículas e antipartículas podem aniquilar umas às outras, deixando apenas energia. Portanto, nenhum neutrino seria observado no decaimento beta duplo sem neutrinos. Uma observação do decaimento beta duplo sem neutrinos mostraria que uma lei fundamental - a conservação do número de leptões - é violada na natureza. Isso pode ajudar a explicar por que o universo contém mais matéria do que antimatéria, que consiste nas antipartículas acima mencionadas. A observação também direcionaria esforços para completar o Modelo Padrão da física de partículas.

“A ausência de neutrinos nesta decadência ainda não confirmada torna possível determinar as massas de neutrinos, "disse Hergert." Essas massas são um parâmetro importante nos modelos de evolução do universo. A taxa de decaimento teórica é um ingrediente chave na extração das massas de neutrinos da vida útil medida, ou, pelo menos, fornece novos limites superiores para essas quantidades. "

Cálculos teóricos como os apresentados pelos autores também ajudarão a determinar o tamanho dos detectores necessários para experimentos de decaimento beta duplo sem neutrinos em larga escala.

O desenvolvimento e implementação de testes de simetrias fundamentais é um elemento importante da missão da FRIB. Os experimentos de FRIB exploram a estrutura de candidatos de decaimento beta duplo sem neutrinos e seus isótopos vizinhos, que afeta a taxa em que a deterioração pode ocorrer. Os métodos teóricos desenvolvidos para este estudo agora podem ser aplicados a outros núcleos com estruturas complexas que são estudados na FRIB.