Busca por Neutrinos Majorana Pesados no LHC

Este artigo fala sobre uma busca por um tipo especial de partícula chamado Neutrinos de Majorana pesados. Esses caras são interessantes na física de partículas por causa das suas propriedades únicas. A busca foi feita no Grande Colisor de Hádrons (LHC), onde prótons colidem a velocidades muito altas. Isso permite que os cientistas procurem partículas raras que não são fáceis de achar em outros experimentos.

#O Setup do Experimento

Os experimentos foram realizados usando o Detector ATLAs, que é um dos principais instrumentos do LHC. O detector ATLAS é projetado para capturar e medir diferentes tipos de partículas resultantes das colisões. Para essa busca específica, os dados foram coletados de colisões de próton-próton a uma energia de 13 TeV ao longo de um período de 2015 a 2018. O conjunto de dados usado para análise corresponde a um total de 140 femtobarns inversos de dados.

#O que são Neutrinos de Majorana?

Neutrinos são partículas minúsculas que interagem muito fracamente com a matéria. Eles vêm em três tipos, ou sabores, que estão associados a três léptons carregados: elétrons, múons e taus. Um neutrino de Majorana é um tipo de neutrino que é sua própria antipartícula. Isso significa que um neutrino de Majorana pode ser pensado como uma partícula que não tem um contraparte oposta distinta.

Na física teórica, a existência de neutrinos de Majorana pesados tem implicações para explicar por que neutrinos normais têm massa. Os modelos padrões da física de partículas sugerem que neutrinos deveriam ser sem massa. No entanto, experimentos mostraram que eles têm massa, levando os cientistas a propor novas teorias para explicar isso.

#Detalhes da Busca

A busca tinha como objetivo encontrar neutrinos de Majorana pesados procurando por interações de partículas específicas. Nesse caso, o foco estava em eventos onde dois léptons com a mesma carga (por exemplo, dois elétrons ou dois múons) são produzidos junto com pelo menos dois jatos, que são enxames de partículas resultantes de colisões de quarks. As condições para identificar esses eventos incluem ter uma massa invariante grande e uma separação significativa em rapidez, que é uma medida de quão rápido as partículas se movem na direção da colisão.

Apesar de extensas buscas, nenhuma evidência significativa da presença de neutrinos de Majorana pesados foi encontrada. Os resultados foram comparados ao Modelo Padrão, que descreve as forças e partículas fundamentais na física. Esse modelo previu que tipos de eventos deveriam ocorrer e com que frequência deveriam acontecer. A falta de eventos em excesso significativos sugere que, se os neutrinos de Majorana pesados existem, eles provavelmente são mais massivos do que as teorias anteriores sugeriam.

#Implicações dos Resultados

Os resultados foram interpretados no contexto de uma estrutura teórica chamada modelo Seesaw Tipo-I Fenomenológico. Esse modelo introduz neutrinos pesados adicionais que se misturam com os neutrinos do Modelo Padrão, potencialmente explicando suas pequenas massas. A busca estabeleceu novos limites nos valores dos parâmetros que descrevem a interação desses neutrinos pesados com os neutrinos regulares.

Em particular, os resultados impuseram restrições nos parâmetros de mistura, que quantificam o quanto os neutrinos de Majorana pesados se misturam com os neutrinos mais leves do Modelo Padrão. A busca procurou especificamente por massas de neutrinos de Majorana pesados variando de 50 GeV a 20 TeV.

#Fundos e Análise

Durante colisões de alta energia, muitas outras partículas são produzidas. Essas são conhecidas como processos de fundo, significando que podem imitar os sinais que os cientistas estão procurando. Os principais processos de fundo detectados foram aqueles envolvendo produção de bosons W com a mesma carga, que são partículas que carregam a força fraca.

Para reduzir a influência desses processos de fundo, os pesquisadores usaram várias estratégias. Eles criaram regiões de controle na análise onde certas condições foram ajustadas para garantir que o fundo fosse bem entendido e pudesse ser contabilizado. Simulações de Monte Carlo, que usam algoritmos de computador para imitar como essas colisões ocorrem, também foram empregadas para estimar as contribuições dos processos de fundo.

#O Papel do Detector ATLAS

O detector ATLAS desempenha um papel crucial nessa pesquisa. É um equipamento grande e sofisticado que inclui vários subsistemas projetados para detectar diferentes tipos de partículas. O detector pode identificar e medir a energia de partículas carregadas, jatos e energia faltante devido a neutrinos indetectáveis.

O detector interno de rastreamento captura os caminhos das partículas carregadas, permitindo que os cientistas meçam seu momento. Os sistemas de calorimetria medem a energia das partículas, distinguindo entre energia eletromagnética e hadrônica. O espectrômetro de múons identifica múons, que são primos mais pesados dos elétrons.

Para essa busca, era vital que o detector estivesse funcionando perfeitamente. Um sistema de gatilho em dois níveis foi usado para filtrar eventos em tempo real, selecionando apenas as colisões mais promissoras para análise posterior.

#Critérios de Seleção de Eventos

Para identificar sinais potenciais de neutrinos de Majorana pesados, os pesquisadores estabeleceram critérios específicos para os eventos que analisaram. Eles exigiram que os eventos contivessem:

1. Dois léptons com a mesma carga (ou dois elétrons ou dois múons).
2. Pelo menos dois jatos com alta energia.
3. Grande separação em rapidez entre os jatos.
4. Nenhum momento transverso faltante significativo no estado final, já que neutrinos não são detectados diretamente.

Esses critérios ajudaram a aumentar a probabilidade de detectar eventos que poderiam sinalizar a presença de neutrinos de Majorana pesados enquanto filtravam ruídos de processos de fundo padrão.

#Análise Estatística

A análise dos dados coletados envolveu métodos estatísticos para avaliar a probabilidade de diferentes resultados. Os pesquisadores usaram um ajuste de máxima verossimilhança para entender melhor os dados observados. Isso foi realizado separadamente para diferentes canais e visava determinar as melhores estimativas para o número de eventos de fundo esperados e sinais potenciais.

As incertezas sistemáticas de diferentes fontes também foram levadas em conta. Essas incertezas poderiam surgir da modelagem das interações de partículas, da calibração do detector e de outros fatores experimentais que poderiam afetar os resultados.

#Conclusões do Estudo

Após analisar os dados, nenhuma evidência significativa para neutrinos de Majorana pesados foi encontrada. Os pesquisadores derivaram limites superiores de 95% de nível de confiança nos parâmetros de mistura dos neutrinos de Majorana pesados. Eles estabeleceram que os parâmetros de mistura devem estar abaixo de um certo limite, o que restringe ainda mais os modelos teóricos que preveem a existência dessas partículas.

O estudo também relatou limites observados nas massas de Majorana, com os resultados indicando que os elementos de mistura são provavelmente menores do que o esperado anteriormente. No contexto do modelo Seesaw Tipo-I Fenomenológico, o estudo mostrou que os limites esperados para os neutrinos de Majorana pesados eram mais rigorosos do que em análises anteriores.

No geral, essa busca melhorou nossa compreensão dos neutrinos de Majorana pesados e forneceu novas informações que podem ajudar a avançar o campo da física de partículas. Os resultados incentivam mais pesquisas e fornecem uma base para futuros experimentos para investigar a natureza dos neutrinos e seu papel no universo.

#Direções Futuras

À medida que a pesquisa avança, os cientistas do LHC e de outras instalações vão refinar suas técnicas de busca e possivelmente explorar diferentes tipos de partículas em colisão. Futuros upgrades do LHC também podem fornecer energias ainda mais altas, abrindo o potencial para descobrir novas partículas, incluindo esses esquivos neutrinos de Majorana pesados.

A busca por neutrinos de Majorana pesados é uma peça crítica do quebra-cabeça maior de entender os constituintes fundamentais da matéria e explorar os mistérios do universo. A colaboração entre cientistas de várias instituições ao redor do mundo continua a fomentar avanços nesse campo, prometendo descobertas empolgantes no futuro.

#Agradecimentos

Esses estudos são possíveis graças ao trabalho duro de pesquisadores e engenheiros do CERN e de várias instituições participantes em todo o mundo. As contribuições deles para a construção e manutenção do LHC e seus detectores, assim como a dedicação para avançar nosso conhecimento sobre física de partículas, são muito apreciadas.

À medida que a jornada no mundo subatômico continua, a esperança permanece de que um dia os segredos dos neutrinos de Majorana pesados sejam completamente revelados.