Mecanismo seesaw (gangorra)

O mecanismo seesaw — em português mecanismo da gangorra — é a mais conhecida tentativa de explicação para o fato de que os neutrinos possuem massa, mas uma massa incrivelmente pequena.

O enigma

O KATRIN empurrou a massa por cima até abaixo de 0,45 elétron-volt; as distâncias de oscilação fornecem um limite inferior de cerca de 0,05.

Para comparação: o elétron pesa 511 000 elétron-volts. Um neutrino é, portanto, ao menos um milhão de vezes mais leve, presumivelmente muito mais.

Todas as demais massas do Modelo Padrão situam-se dentro de poucas ordens de grandeza umas das outras. Os neutrinos fogem tanto ao padrão que um mero acaso como explicação não satisfaz ninguém.

A ideia da gangorra

O mecanismo supõe que, ao lado dos conhecidos neutrinos levógiros, existam também dextrógiros. Que eles precisem existir já decorre da massa — a página sobre a helicidade explica por quê.

Esses parceiros não participariam de nenhuma força conhecida e seriam com isso ainda mais discretos que os neutrinos comuns.

Decisiva é a segunda suposição: eles são muito pesados. Nenhum princípio conhecido limita sua massa por cima. Ela poderia situar-se em 10¹⁴ gigaelétron-volts — perto daquela escala em que as forças da natureza poderiam estar unificadas.

A matemática da mistura de massas leva então a uma relação simples:

m_leve ≈ m_D² / M_pesada

Nela m_D é uma massa comum na ordem de grandeza de outras partículas e M_pesada é a grande massa do parceiro dextrógiro.

A imagem da gangorra resulta por si mesma: quanto mais pesado um lado, mais leve o outro. A pequenez da massa do neutrino não seria acaso, mas a sombra de algo muito pesado.

Por que a conta convence

Se para m_D se insere uma massa na ordem de grandeza do quark top e para M_pesada a escala de unificação, resultam massas de neutrinos na faixa de centésimos de elétron-volt — exatamente a faixa que as medições de oscilação sugerem.

Que uma fórmula tão simples forneça a ordem de grandeza correta, sem que se precise forçar parâmetros, é tido como um argumento forte. A ideia surgiu no fim dos anos 1970 independentemente em vários grupos, entre outros com Peter Minkowski.

A ligação com a matéria no universo

O mecanismo tem uma segunda consequência, de maior alcance.

Os pesados neutrinos dextrógiros seriam partículas de Majorana — sua própria antipartícula. No universo primitivo eles teriam estado presentes em grande número e teriam decaído. Se esses decaimentos transcorrem de modo ligeiramente diferente para matéria e antimatéria, surge um excesso de léptons.

Este poderia em seguida ser convertido em um excesso de quarks — e com isso em matéria comum. A ideia chama-se leptogênese e foi formulada em 1986 por Fukugita e Yanagida.

Ela explicaria por que o universo é feito de matéria e não de nada.

Como isso se pode verificar

Os parceiros pesados em si são inalcançáveis. Nenhum acelerador imaginável chegaria perto das energias necessárias; faltam dez ordens de grandeza.

Ainda assim o mecanismo é verificável, ainda que de modo indireto. Se se encontrar o duplo decaimento beta sem neutrinos, então o neutrino é uma partícula de Majorana — e o mecanismo seesaw torna-se muito mais provável.

Se não se encontrar, a questão permanece aberta. Um não achado não exclui o mecanismo, mas apenas determinadas faixas de parâmetros.

Outras versões

Ao lado da forma básica há variantes que, em vez de neutrinos pesados, introduzem outras partículas pesadas. Elas levam a fórmulas semelhantes e em parte são mais bem verificáveis em aceleradores. Comum a todas é a ideia fundamental: algo muito pesado faz algo muito leve.

Termos relacionados

Fontes

  • P. Minkowski: μ → eγ at a rate of one out of 10⁹ muon decays?, Physics Letters B 67, 421 (1977).
  • M. Fukugita, T. Yanagida: Barygenesis without grand unification, Physics Letters B 174, 45 (1986).