Cientistas da Colaboração MAJORANA procuram elétrons que violam regras

Cientistas trabalhando no MAJORANA DEMONSTRATOR no Sanford Underground Laboratory em Lead, Dakota do Sul. Crédito:Matthew Kapust, Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford

Em um novo estudo publicado naNature Physics , cientistas da Colaboração MAJORANA testaram o rigor da conservação de carga e os princípios de exclusão de Pauli usando detectores subterrâneos. Alessio Porcelli publicou um artigo News &Views sobre a pesquisa na mesma revista.

Hoje, o Modelo Padrão da física de partículas é um dos dois pilares sobre os quais se baseia a física moderna. Ele explica com sucesso três das quatro forças fundamentais e como as partículas subatômicas se comportam.

O princípio de exclusão de Pauli e a conservação da carga são dois dos princípios decorrentes das simetrias do Modelo Padrão. Eles resistiram a muitos desafios teóricos e foram repetidamente comprovados ao ponto de serem considerados axiomáticos.

Agora, os pesquisadores acreditam que pequenas violações desses princípios poderiam levar a uma física além do Modelo Padrão, como formas exóticas de matéria.

A Colaboração MAJORANA é uma dessas experiências. O projeto visa explorar o decaimento beta duplo sem neutrinos, um tipo de decaimento radioativo, na esperança de estabelecer se os neutrinos são partículas de Majorana.

A pesquisa é uma colaboração internacional de cientistas, incluindo o Dr. Clint Wiseman, da Universidade de Washington, e o Dr. Inwook Kim, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, coautor do livro Nature. estudar.

Falando ao Phys.org, o Dr. Wiseman compartilhou sua motivação por trás dessa busca:"Quando aprendi mecânica quântica, fui ensinado a questionar coisas apresentadas como princípios inabaláveis. Os princípios da mecânica quântica - a base do Modelo Padrão - são fortemente enraizados em nós porque eles se revelaram verdadeiros repetidas vezes.

"À medida que procuramos áreas da nova física para explorar no século 21, pode valer a pena voltar a esses princípios e tentar ultrapassar os limites da sua correção."

Simetrias, conservações e partículas de Majorana

A profunda conexão entre simetria e leis de conservação foi revelada pela matemática Emmy Noether. De acordo com o teorema de Noether, toda lei de conservação está profundamente ligada a uma simetria subjacente na natureza.

"Nossa incapacidade de criar ou destruir carga sem considerá-la em outro lugar está relacionada a uma simetria desse tipo. A incapacidade de mais de dois elétrons compartilharem o mesmo estado quântico representa uma anti-simetria da natureza igualmente importante que desempenha um papel essencial na o comportamento em larga escala da matéria atômica", explicou o Dr. Wiseman.

Se se demonstrasse que estes princípios foram violados, isso significaria a quebra de simetrias fundamentais.

"O fato de os fótons serem verificados experimentalmente como sem massa é frequentemente considerado a evidência de que a conservação de carga é fundamentalmente válida. No entanto, extensões teóricas do Modelo Padrão, como certos modelos de gravidade quântica, poderiam incluir mecanismos que violam a conservação de carga.

“O princípio de exclusão de Pauli é matematicamente derivado diretamente da propriedade antissimétrica das funções de onda fermiônicas. Como no caso da conservação de carga, isso poderia ser violado em uma estrutura além do modelo padrão”, disse o Dr.

Como isso se relaciona com o trabalho que está sendo realizado pelo projeto MAJORANA? A partícula Majorana, se existir, seria a sua própria partícula. No momento, isso é puramente conjectura, mas o neutrino pode se enquadrar na descrição.

O neutrino é uma partícula muito evasiva, dificultando a detecção e o estudo de suas propriedades. Uma das coisas que os cientistas não conseguiram estabelecer é se se trata da sua própria antipartícula, ou seja, uma partícula de Majorana.

O projeto MAJORANA está trabalhando para atingir esse objetivo, procurando um processo ultra-raro conhecido como decaimento beta duplo sem neutrinos.

Decaimento beta e detectores subterrâneos

O decaimento beta, como mencionado anteriormente, é um processo de decaimento radioativo. Nesse processo, os nêutrons decaem em prótons, pósitrons (que são conhecidos como partículas beta e são os antielétrons) e antineutrinos.

O MAJORANA DEMONSTRATOR consiste em detectores de germânio (Ge) altamente puros nas profundezas do subsolo para evitar radiações, como os raios cósmicos, que poderiam interferir nele. Os detectores Ge são altamente sensíveis às energias liberadas durante essas reações de decaimento beta.

Num decaimento beta duplo, temos dois decaimentos beta acontecendo simultaneamente e obtemos dois antineutrinos junto com os prótons e as partículas beta. Contudo, no caso sem neutrinos, não observaríamos neutrinos, como o nome sugere.

Isto porque se o neutrino fosse uma partícula de Majorana, o neutrino de um decaimento beta cancelaria as emissões do antineutrino (do outro decaimento), resultando em nenhuma emissão de neutrinos, que o demonstrador MAJORANA está configurado para detectar.

O conjunto de dados obtido pelo conjunto de detectores serviu de base para os pesquisadores estudarem os limites da conservação de carga e o princípio de exclusão de Pauli.

Uma visão interna do criostato de cobre a vácuo do MAJORANA DEMONSTRATOR. Os fios turquesa são os detectores de germânio. Crédito:Nepahwin/Wikimedia Commons.

Testando os limites

Os pesquisadores se concentraram em três cenários, com o primeiro testando a conservação da carga e os outros dois testando o princípio de exclusão de Pauli.

Comecemos pelo primeiro teste:cobrar a não conservação. Neste cenário, os pesquisadores estavam explorando o decaimento de elétrons dentro de um átomo Ge. Se um elétron decaísse, deixaria uma vaga no orbital do átomo, que é preenchida por um elétron de um orbital diferente.

Este processo resulta na emissão de um fóton ou raio X, indicando que a carga está equilibrada. No entanto, a falta de emissão indicaria uma não conservação de carga.

Para o caso do princípio de exclusão de Pauli, os pesquisadores se concentraram nas interações tipo I e tipo III de férmions (neste caso, elétrons).

Nas interações do tipo I, temos interação entre um elétron recém-criado e um sistema de férmions. Este elétron é criado usando a produção de pares de raios gama.

O objetivo agora era observar se esse elétron recém-criado ocuparia um orbital atômico totalmente completo (como é o caso dos átomos Ge), violando o princípio de exclusão de Pauli sobre os férmions ocuparem o mesmo estado. Se isso realmente acontecesse, eles observariam uma emissão de raios X.

Para o cenário final, interações do tipo III, as interações ocorrem entre férmions no mesmo sistema, ou seja, elétrons dentro do átomo Ge. Se um elétron fizesse a transição inesperada de seu orbital para outro orbital preenchido, um fóton ou raio X seria emitido e o princípio de Pauli seria uma violação.

O ²²⁸ combinado O espectro de calibração de todos os detectores ativos no Demonstrador Majorana. Características proeminentes incluem o pico de energia total de ²⁰⁸ Tl, o SEP e DEP associados, e um forte ²¹² Linha Bi perto do DEP. Crédito:Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02437-9

Definindo novas restrições e formando uma LENDA

Os pesquisadores descobriram que todos os três cenários ocorreram como deveriam, sem violações.

"Não encontramos nenhuma evidência de que os princípios sejam violados, estabelecendo limites mais rigorosos para novas teorias da física. O limite de conservação de carga é o mais rigoroso do gênero desde 1999", disse o Dr. Wiseman.

O limite ao qual o Dr. Wiseman está se referindo aqui é o tempo de vida médio do elétron decaindo para três neutrinos (ou matéria escura), que eles estabeleceram ser maior que 2,83 × 10²⁵ anos, indicando a alta estabilidade dos elétrons.

Além disso, o Dr. Kim acrescentou:"Nossa descoberta de ausência de assinatura sugere que esses dois princípios têm uma precisão muito alta - pelo menos na medida em que a tecnologia de ponta atual pode detectar. Isso fortalece ainda mais nossa confiança no validade desses princípios."

O conjunto de dados MAJORANA DEMONSTRATOR provou ser incrivelmente versátil. O experimento está se expandindo ao formar uma colaboração maior chamada LEGEND, fundindo-se com outro detector baseado em Ge, Gerda.

“Ao operar detectores de germânio de alta resolução em um ambiente ultralimpo, o LEGEND investigará ainda mais várias assinaturas inesperadas além da física do Modelo Padrão”, disse o Dr.

Wiseman concluiu dizendo:"Os resultados atuais validam a precisão da mecânica quântica e fornecem restrições mais rigorosas sobre esforços futuros para construir novas teorias da física. Isso exigirá mais imaginação, ou como disse Feynman:imaginação em uma camisa de força."

Mais informações: Pesquise por não conservação de carga e violação do princípio de exclusão de Pauli com o Demonstrador Majorana, Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02437-9
Alessio Porcelli, Pesquisa por elétrons que quebram regras, Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02448-6

Informações do diário: Física da Natureza , Natureza

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