¿Por qué no sabemos si los neutrinos son o no sus propias antipartículas?

Planifique un experimento de la siguiente manera: una fuente de neutrinos proporciona solo neutrinos y un detector es sensible solo a los antineutrinos. Si obtiene una señal, eso prueba que los neutrinos son sus propias antipartículas. Si algo tan simple funcionara, creo que ya se habría hecho. Entonces, ¿por qué esto no funciona (¿o sí?), y tenemos que confiar en las búsquedas de desintegración beta doble sin neutrinos?

Por un lado, los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar. Tan difícil, de hecho, que las señales falsas son un problema real. Y nuestro sol, estrellas y supernovas son las únicas fuentes lo suficientemente grandes como para que tengamos la posibilidad de detectar alguna . Agregue condiciones a la fuente y los detectores y es posible que no le quede señal.
@RBarryYoung, los neutrinos de fuentes artificiales pueden ser y han sido detectados. en.wikipedia.org/wiki/OPERA_experimento

Respuestas (3)

Sabemos que existen neutrinos y antineutrinos, y es posible notar la diferencia entre ellos. Por ejemplo, en un detector de corriente cargada, los neutrinos electrónicos producen esta reacción:

v + norte → mi − + pag

mientras que los antineutrinos electrónicos producen esta reacción:

v ¯ + pag → mi + + norte

Y los detectores pueden distinguir fácilmente entre electrones y positrones, por lo que pueden diferenciar fácilmente neutrinos y antineutrinos.

En su experimento, emite un haz de neutrinos, y el detector detectaría solo neutrinos, no antineutrinos, pero eso no prueba que las dos sean partículas diferentes. Todos los neutrinos que emite su detector tienen quiralidad de mano izquierda, mientras que los antineutrinos tienen quiralidad de mano derecha. Puede cambiar la quiralidad haciendo que su detector se mueva en la misma dirección que los neutrinos emitidos a una velocidad más rápida que la que viajan los neutrinos. Eso significaría que el neutrino de mano izquierda en su marco sería de mano derecha en el marco del detector. Si hicieras esto y tu detector comenzara a detectar antineutrinos, habrías probado que las dos son la misma partícula.

Pero por razones obvias esto no es un experimento práctico. Debido a que los neutrinos son tan ligeros, viajan casi a la velocidad de la luz incluso cuando tienen pequeñas energías cinéticas. ¡Diseñar un experimento en el que el detector se moviera más rápido que los neutrinos sería, en el mejor de los casos, un desafío!

Me encanta la última frase. :) Pero apuesto a que ese experimento obtendría resultados más rápido que uno en el que disparas un haz de neutrinos a un haz de antineutrinos y observas las reacciones de aniquilación. ;)
Puedes cambiar la hélice de un neutrino moviéndote más rápido que él, pero su quiralidad sigue siendo la misma.
¿Por qué no es un experimento práctico? En principio, si los neutrones se mueven lo suficientemente rápido a lo largo de la misma trayectoria que los neutrinos, en su marco deberían verse como zurdos, y la sección transversal cae a cero. Si todavía son neutrinos, entonces la sección transversal debe permanecer en algún valor distinto de cero.
lo mismo debería aplicarse a los protones que se mueven lo suficientemente cerca de la velocidad de la luz para que los antineutrinos parezcan diestros, y si la sección transversal se vuelve distinta de cero, entonces sabes que todavía son antineutrinos
@lurscher Buena observación "en principio". Ahora calcule el aproximado γ de haces de neutrinos disponibles y apuntar al haz de protones que podemos usar para ejecutar el experimento...
@PM2Ring: ¿Porque elevar al cuadrado la sección transversal de interacción de los neutrinos solo requeriría cuántas partículas darían una señal medible?...

Buen punto, tales experimentos se han hecho y no ven nada. Pero hay algo más.

La fuente de neutrinos proporciona solo neutrinos zurdos, su giro apunta en contra de su dirección de viaje, porque la interacción débil hace eso.

El detector puede ser sensible solo a los antineutrinos dextrógiros, cuyos giros apuntan en su dirección de viaje, porque la interacción débil hace eso.

No vemos nada, pero eso podría ser solo porque los neutrinos tienen la mano equivocada, y no por una diferencia neutrino/antineutrino.

Así que no está probado, y necesitamos los experimentos de doble desintegración beta.

La dirección de giro no define si un neutrino es diestro o zurdo. Si te mueves más rápido que un neutrino zurdo, no se vuelve diestro. La dirección del espín define la helicidad, pero si un neutrino es diestro o zurdo lo define la chitalidad. La helicidad y la quiralidad están relacionadas en el límite sin masa, pero son propiedades diferentes para partículas masivas.
Si bien @safesphere tiene razón en principio, los experimentos del mundo real se llevan a cabo con MeV o neutrinos de alta energía cuyos estados de masa son todos menores que 0.25 mi V , que empuja las consecuencias medibles de la diferencia entre la helicidad y la quiralidad por debajo de los umbrales experimentales. Por ahora, la distinción es experimentalmente poco interesante.
@safesphere es técnicamente correcto, pero la diferencia entre quiralidad y helicidad es un detalle de nivel de posgrado para una pregunta de nivel de pregrado. no traigamos ( 1 − γ 5 ) dentro de esto.
@dmckee Lo haces parecer como si la diferencia entre helicidad y quiralidad fuera la diferencia en cantidad, como una manzana y una manzana un poco más grande. Sin embargo, la quiralidad y la helicidad son dos cosas diferentes, como manzanas y naranjas. Si bien los experimentos actuales son limitados, la creatividad científica no lo es. La distinción entre quiralidad y helicidad es experimentalmente fascinante.
@RogerJBarlow Sí, engañemos a los estudiantes universitarios. De todos modos, nunca se graduarán. Excepto que su respuesta también falla si el neutrino es un fermión de Majorana y su propia antipartícula.

Porque la única forma de estar seguro es bombardearlo desde la órbita es observar cómo se aniquilan entre sí.

La forma tradicional de hacerlo es tomar algunas partículas, preferiblemente en reposo, o al menos en un haz, y algunas antipartículas, y juntarlas. Luego puedes observarlos aniquilándose entre sí, emitiendo dos fotones con la masa en reposo de la partícula/antipartícula.

Sin embargo, esto es muy difícil de hacer para los neutrinos. No puede detenerlos de manera efectiva (al menos no con menos de un año luz de plomo). Apenas puede enfocarlos en un haz (solo enfocando partículas en un haz que luego se descompone en neutrinos). En general, apenas logras que interactúen con material ordinario, y mucho menos entre sí (hay billones de neutrinos que pasan por tu cuerpo cada segundo, la gran mayoría de los cuales nunca interactúan con ninguna parte de tu cuerpo).

En otras palabras, lo que necesita es un proceso en el que sepa que deben salir dos neutrinos (dos neutrinos, no un neutrino y un antineutrino) y luego observe menos de esos procesos de lo que ingenuamente asumiría si los neutrinos no fueran su propia antipartícula. Porque si lo son, pueden aniquilarse antes de que puedas observarlos. (En realidad, las amplitudes de la mecánica cuántica interfieren destructivamente, por lo que ni siquiera generan fotones con el resto de la masa, se convierten en partículas completamente virtuales).

Uno de estos procesos (el más fácil de entender teóricamente y el que ocurre con mayor frecuencia en la naturaleza, debido a todas esas desintegraciones radiactivas que ocurren) es la desintegración doble beta, donde se emiten dos electrones y dos anti-electrones-neutrinos. .

¿Por qué no sabemos si los neutrinos son o no sus propias antipartículas?
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