I Neutrini e l'asimmetria tra la materia e l'antimateria nell'Universo

Journal Club 20 marzo 2015

Serena Palazzo

Il Modello Standard

Teoria fisica che descrive le componenti prime della materia e le loro interazioni fondamentali

Solo tre delle quattro forze fondamentali osservate in natura sono considerate nel Modello Standard:

● interazione elettromagnetica● interazione debole● interazione forte

L'interazione tra i campi di materia può interpretarsi in termini di scambio di bosoni mediatori

Il modello non comprende l'interazione gravitazionale e di conseguenza non può essereconsiderata una teoria completa delle interazioni fondamentali

Modello Standard:particelle elementari

Le particelle elementari nel modello standard sono Fermioni a spin semi intero:

Quarks

Leptoni

I quarks,a differenza dei leptoni sono presenti in natura in gruppo.

Le particelle del modello standard sono costituite da tre generazioni di materia. Tutta la materia visibile è costituita dalla prima generazione di particelle infatti le particelle della seconda e terza generazione sono instabili e decadono nella prima.

Elettroni muoni tauoni particelle cariche

Neutrini particelle neutre

Barioni 3 quarks

Mesoni 1 quark e 1 anti-quark

Il modello standard: bosoni mediatori

Le interazioni deboli sono responsabili del decadimento dei leptoni e dei quarks di massa maggiore in particelle più leggere, sono inoltre le interazioni responsabili del cambiamento di sapore( serie di numeri quantici che caratterizzano quarks e leptoni).

Il bosone di Higgs di spin 0 da' massa ai bosoni mediatori e anche ai fermioni attraverso il meccanismo di Higgs.

I bosoni mediatori (particelle a spin unitario) nel modello standard sono:

Fotoni: mediatori delle interazioni elettromagneticheGluoni: mediatori delle interazioni fortiW e Z: mediatori delle interazioni deboli

I neutrini nel modello standard

p pneutrino Anti-neutrino

spin spin

NON esistono

ν≠ν̄

Il Modello Standard prevede tre neutrini leggeri (νe νμ ντ) (3 sapori) che interagiscono attraverso l'interazione debole

Ipotesi: massa del neutrino m=0

Elicità (componente dello spin parallela all’impulso) = – 1 (neutrini) + 1 (antineutrini)

Neutrini di elicità +1Antineutrini di elicità -1

Neutrini e antineutrini con m>0 possono esistere in entrambi gli stati di elicità

Neutrini: particelle di Dirac o di Majorana?

Neutrini di Dirac: conservazione del numero leptonico

Neutrini di Majorana : ν ≡ numero leptonico NON conservatoν̄

Left-handedRight-handed

Matrice di mixing e autostatiIpotesi di Pontecorvo: neutrini con masse definite (νi e νj) possono non avere sapori definiti (να e νβ)

La matrice PMNS ha significato nel modello standard solo se il neutrino è una particella di Majorana.

La matrice di PMNS è la matrice di mixing nel settore leptonico analoga alla matrice di CKM utilizzata per descrivere il mixing nel settore dei quarks.

Il mixing dipende da tre angoli

Rappresentazione di neutrino con sapore definito

Rappresentazione di neutrino con massa definita

U matrice unitaria che connette i due sistemi

Oscillazione del neutrino

Oscillazione del neutrino: Un autostato leptonico di sapore definito, descritto da una particolare combinazione di autostati di massa (mixing), evolverà nel tempo in una diversa combinazione lineare non più corrispondente all'autostato leptonico iniziale.

Oscillazione nel vuoto è periodica

Oscillazione nella materia NON periodica, è modificata la probabilità di oscillazione.

In entrambi i casi la massa non nulla ed il mescolamento dei neutrini sono condizioni necessarie affinché possa avvenire il cambiamento di famiglia leptonica.

Caso più semplice coinvolge due neutrini: ντ e νμ. Per esempio questo è il caso dei neutrini atmosferici in cui non è coinvolto il neutrino elettronico.

Meccanismo “seesaw”3 meccanismi seesaw convincenti per la generazione della massa del neutrino: Tipo I singoletto di neutrini Right-HandedTipo II tripletti scalariTipo III tripletti di fermioni

Meccanismo see-saw di Tipo I Approccio più generale per descrivere il neutrino e dargli una piccola massa:

● E' necessario introdurre un neutrino R-H che abbia una massa grande● E' necessario che i neutrini siano particelle di Majorana

Se i neutrini sono particelle di Majorana e il meccanismo see-saw è una giusta teoria, si ha una spiegazione della piccola massa del neutrino.

I meccanismi seesaw danno la possibilità di implementare la leptogenesi

Leptogenesi e meccanismi see-saw

Decadimento del neutrino pesante Right-Handed L'interferenza tra i diagrammi ad albero e diagrammi a loop contribuisce al decadimento del neutrino R-H dando luogo alla Leptogenesi.

Nel meccanismo see-saw i neutrini pesanti Right-Handed introdotti, decadono violando la simmetria CP e danno luogo a una violazione della conservazione del numero leptonico (leptogenesi)

Leptogenesi: processo di produzione di un'asimmetria tra leptoni e antileptoni nell'Universo primordiale.

Dalla Leptogenesi alla Bariogenesi

L'asimmetria leptonica può essere convertita in una asimmetria barionica

La Bariogenesi fornisce una spiegazione dell'assenza di antimateria nell'Universo osservabile.

Bariogenesi

Nel Modello Standard la Leptogenesi fa uso del processo Sphaleron per passare ad una asimmetria Barionica

Processo Sphaleron : viola la conservazione del numero leptonico e barionico implicando la conversione di tre anti-barioni in tre leptoni pur mantenendo la conservazione della differenza B-L

Assenza di antimateria

Condizioni di Sakharov necessarie per creare l'asimmetria iniziale

1) violazione del numero barionico: se le interazioni conservassero il numero barionico,non ci sarebbe asimmetria.

2)violazione di C e CP: anche in presenza di interazioni che violano B,non si genera asimmetria se non vi è violazione di C e CP.

3)Condizione di non equilibrio: all'equilibrio termico la densità nello spazio delle fasi di barioni e antibarioni sarebbe uguale e quindi non ci sarebbe asimmetria

Leptogenesi e oscillazione

In uno schema in cui la Leptogenesi e il meccanismo oscillante sono connessi, le condizioni di Sakharov sono naturalmente soddisfatte:

1)il meccaniscmo oscillante richiede la violazione della conservazione del numero leptonico e i processi Sphaleron convertono l'asimmetria leptonica in asimmetria barionica.

2) gli accoppiamenti di Yukawa per il neutrino permettono la violazione della simmetria CP

3) il discostamento dall'equilibrio termico è compiuto dal decadimento delle particelle pesanti

Conclusioni

● Necessità di verificarei meccanismi see-saw e la teoria della Leptogenesi per poter collegare la fisica del neutrino al asimmetria tra la materia e l'antimateria cosmologica.

● Nei prossimi anni, gli acceleratori come l'LHC potranno fare luce sulla natura di Majorana dei neutrini e potranno permettere di verificare i meccanismi see-saw dei neutrini.

● Leptogenesi Modello più convincente per spiegare l'asimmetria tra materia e antimateria.

● L'introduzione delle nuove particelle pesanti, il cui decadimento genera la Leptogenesi permette di dare un significato alle masse dei neutrini.