Helicidade
A helicidade descreve como o momento angular próprio de uma partícula se situa em relação à sua direção de voo. No neutrino ela é notável: todos os neutrinos observados são levógiros, todos os antineutrinos dextrógiros.
Nenhuma outra partícula mostra semelhante unilateralidade.
A imagem do saca-rolhas
Toda partícula com spin tem um eixo de rotação. Se o spin aponta na direção do voo, a partícula chama-se dextrógira; se aponta contra, levógira.
Um saca-rolhas ajuda: uma rosca à direita avança ao girar no sentido dos ponteiros do relógio, uma rosca à esquerda recua. Sentido de rotação e direção do movimento estão acoplados.
Nos elétrons ambas as possibilidades ocorrem aproximadamente com a mesma frequência. No neutrino, pelo visto, não.
A obra-prima de Goldhaber
Em 1958, Maurice Goldhaber, Lee Grodzins e Andrew Sunyar determinaram no Brookhaven National Laboratory a helicidade do neutrino. Seu arranjo é considerado até hoje um dos experimentos mais elegantes da física nuclear.
O neutrino em si não é mensurável. Então eles mediram outra coisa.
Um núcleo excitado de európio-152 captura um elétron da camada mais interna. Nisso surgem apenas duas coisas: um neutrino e um núcleo excitado de samário, que pouco depois emite um quantum gama. Como nada mais surge, momento angular e momento linear estão rigorosamente repartidos entre os dois.
Se o quantum gama voa em uma direção, o neutrino tem de ter ido na oposta. E o balanço do momento angular acopla a polarização da luz à helicidade do neutrino.
O segundo artifício foi a seleção. Apenas os quanta gama que voam exatamente em sentido contrário ao neutrino carregam a energia inteira e podem ser espalhados ressonantemente no samário. Com isso pôde-se filtrar dentre todos os quanta emitidos exatamente a espécie procurada.
A polarização foi analisada em ferro magnetizado, onde a luz é absorvida com intensidade diferente conforme o sentido de rotação.
Resultado: os neutrinos são levógiros. Todo o experimento se arranjou com um aparelho de poucos metros.
A relação com a paridade
Essa unilateralidade é uma propriedade da natureza, não um acaso do arranjo.
Dois anos antes, Chien-Shiung Wu havia mostrado que a interação fraca distingue entre esquerda e direita. Ela só se acopla a partículas levógiras e antipartículas dextrógiras.
Como os neutrinos só se manifestam por meio dessa força, neutrinos dextrógiros simplesmente não aparecem no mundo observável. Eles seriam, mesmo se existissem, invisíveis para qualquer detector.
Por que a massa complica tudo
Enquanto se teve os neutrinos por desprovidos de massa, o quadro era fechado. Uma partícula sem massa move-se à velocidade da luz; sua quiralidade é a mesma para todo observador, porque ninguém pode ultrapassá-la.
Em uma partícula com massa isso é diferente. Ela é mais lenta que a luz, e um observador suficientemente rápido poderia ultrapassá-la. Vista de frente, a direção do voo se inverte, mas o spin não — de levógira passa a dextrógira.
A oscilação de neutrinos comprova a massa. Portanto tem de haver estados dextrógiros. Só que evidentemente eles quase não interagem.
As duas saídas
Dirac. Os neutrinos dextrógiros são partículas próprias que não participam de nenhuma força conhecida. Se forem muito pesados, o caminho leva ao mecanismo seesaw.
Majorana. Neutrino e antineutrino são a mesma partícula em duas formas de aparição — assim o propôs Ettore Majorana em 1937.
Só poderia decidir a questão o duplo decaimento beta sem neutrinos. Ele não foi encontrado.
Termos relacionados
- Chien-Shiung Wu — a violação da paridade
- Interação fraca
- Decaimento beta — a captura eletrônica no experimento
- Ettore Majorana
Fontes
- M. Goldhaber, L. Grodzins, A. W. Sunyar: Helicity of Neutrinos, Physical Review 109, 1015 (1958).