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:
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interazione elettromagnetica
interazione debole
interazione forte
Il modello non comprende l'interazione gravitazionale e di conseguenza non può essere
considerata una teoria completa delle interazioni fondamentali
L'interazione tra i campi di materia può interpretarsi in termini di scambio di bosoni
mediatori
Modello Standard:particelle
elementari
Le particelle elementari nel modello standard sono Fermioni a spin semi intero:
Barioni 3 quarks
Quarks
Mesoni
1 quark e 1 anti-quark
Elettroni muoni tauoni
particelle cariche
Neutrini
particelle neutre
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.
Il modello standard: bosoni
mediatori
I bosoni mediatori (particelle a
spin unitario) nel modello
standard sono:
Fotoni: mediatori delle
interazioni elettromagnetiche
Gluoni: mediatori delle
interazioni forti
W e Z: mediatori delle
interazioni deboli
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 neutrini nel modello standard
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)
p
neutrino
Anti-neutrino
Left-handed
Right-handed
p
spin
spin
Neutrini di elicità +1
Antineutrini di elicità -1
NON esistono
Neutrini e antineutrini con m>0 possono esistere in entrambi gli stati di elicità
Neutrini: particelle di Dirac o di Majorana?
Neutrini di Dirac:
ν≠ν̄
Neutrini di Majorana : ν ≡
conservazione del numero leptonico
ν̄
numero leptonico NON conservato
Matrice di mixing e autostati
Ipotesi di Pontecorvo: neutrini con masse definite (νi e νj) possono non avere sapori definiti
(να e νβ)
Rappresentazione di neutrino con sapore definito
Rappresentazione di neutrino con massa definita
U matrice unitaria che connette i due sistemi
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
La matrice PMNS ha significato nel modello standard solo se il neutrino è una particella di
Majorana.
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
Oscillazione nella materia
oscillazione.
è periodica
NON periodica, è modificata la probabilità di
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
Tipo II
Tipo III
singoletto di neutrini Right-Handed
tripletti scalari
tripletti di fermioni
Meccanismo see-saw di Tipo I
una piccola massa:
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Approccio più generale per descrivere il neutrino e dargli
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
Leptogenesi: processo di produzione di un'asimmetria tra leptoni e antileptoni nell'Universo
primordiale.
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)
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.
Dalla Leptogenesi alla Bariogenesi
L'asimmetria leptonica può
essere convertita in una
asimmetria barionica
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
La Bariogenesi fornisce una spiegazione dell'assenza di antimateria nell'Universo osservabile.
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
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Leptogenesi
antimateria.
Modello più convincente per spiegare l'asimmetria tra materia e
L'introduzione delle nuove particelle pesanti, il cui decadimento genera la Leptogenesi
permette di dare un significato alle masse dei neutrini.
Necessità di verificarei meccanismi seesaw 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.