Como vimos anteriormente, a adição dos neutrinos de mão direita ao modelo padrão torna possível a existência de novos processos antes considerados proibidos, tais como os processos de violação de número e sabor leptônico. Porém, pelo Mecanismo Seesaw usual, espera-se que os neutrinos RH sejam bem massivos para que seja possível gerar a massa correta dos neutrinos
do MP, o que faz com que a fenomenologia resultante dos neutrinos RH não possa ser observada em laboratório.
Entretanto, nem tudo está perdido. Analisando (2.11), pode-se observar que a massa dos neutrinos é proporcional ao quadrado da massa de Dirac e consequentemente ao quadrado da matriz GN, que é formada pelos coeficientes de Yukawa. As componentes de GN são a princípio
aleatórias, logo é possível que a massa dos neutrinos RH não seja tão grande quanto esperado inicialmente e ainda gerar a massa correta para os neutrinos, possibilitando a observação de sinais dos neutrinos RH em laboratório, devido ao fato do termo de mistura se tornar relevante. A observação dos neutrinos RH em laboratório é dada através da mistura com os neutrinos ativos, ou seja, os neutrinos RH interagem com as partículas do MP a partir dos neutrinos ativos. Dessa forma, com a geração de um número suficiente de eventos é possível fazer uma análise da presença dos neutrinos RH, gerando limites sobre suas propriedades. Uma das fontes mais abundantes de eventos são os colisores, que realizam um número cada vez maior de eventos e com níveis de energia cada vez mais altos, como o LHC (Grande Colisor de Hádrons) e o LEP (Grande Colisor Elétron-Pósitron)1.
Nos colisores, existem diversos processos que podem gerar limites sobre os neutrinos RH, onde se supõe que os processos envolvendo os neutrinos RH são os descritos pelas correntes do MP indicadas em (3.2). Dessas lagrangianas, pode ser visto que o principal parâmetro que pode ser obtido com a análise dos dados é o fator de mistura entre os neutrinos ativos e os neutrinos RH, representados pela matriz Uαi. Contudo, os termos de mistura dependem fortemente da
massa dos neutrinos RH, de forma que com a observação de fenômenos cuja assinatura indique a presença dos neutrinos RH, ao obter informações sobre os fatores de mistura, é possível gerar limites para suas massas. Assim, dois parâmetros são essenciais para a análise de processos com a presença dos neutrinos RH: Uαi e mN.
Tanto o LEP quanto o LHC são capazes de gerar limites sobre os neutrinos RH. No LEP, os dados referentes aos neutrinos RH são os oriundos do processo e+e−→ N ν`. Neste processo,
o canal mais importante é o mediado pelo bóson Z, onde o Z foi produzido pela aniquilação do par elétron-pósitron no canal s e decai através do canal Z → N ν, como pode ser visto no diagrama mostrado pela Figura6. Também existe uma contribuição do canal t através do bóson W, porém esse canal não produz resultados tão precisos quanto o decaimento do Z no LEP.
Em ambos os canais, o neutrino RH pode decair em qualquer um dos canais previstos em (3.3). No canal mediado pelo bóson Z, é possível obter informações sobre os termos de mistura dos neutrinos RH com as 3 famílias dos léptons. No caso do canal mediado pelo bóson W±, o neutrino RH associado deve ser referente à família do elétron, de forma que o processo gera informações referentes ao termo de mistura apenas da primeira família. A análise das propriedades dos neutrinos RH em um acelerador de léptons como o LEP é vantajosa devido
1 As operações do LEP foram finalizadas, porém seus dados são capazes de gerar limites com bastante precisão
Figura 6 – Diagramas do processo e+e− → N ν`mediado pelo Z (esquerda) e pelo W (direita),
que podem ser observado pelo LEP.
à possibilidade de além de observar os termos de mistura do neutrino RH com as 3 famílias dos neutrinos ativos, o sinal é relativamente livre de ruídos quando comparado com o de outros colisores, tal como o LHC. Isso se deve ao fato dos léptons serem partículas elementares, enquanto no LHC é realizada a colisão de hádrons, que possuem uma estrutura interna e torna a análise dos dados bem mais complexa.
Contudo, a observação dos eventos do LEP tem como limitação experimental que a energia de centro de massa do acelerador é baixa, de forma que os neutrinos RH produzidos no LEP possuem massa inferior à 80 GeV. Assim, o LEP é capaz de inferir a existência dos neutrinos RH apenas no intervalo cuja massa dos neutrinos é de 3 a 80 GeV. A partir da análise dos resultados obtidos pelo LEP (DITTMAR et al.,1990), os termos de mistura |U`N|2são da
ordem de 10−3a 10−5, para o intervalo de massa observável pelo LEP. Um aumento na precisão dos resultados é esperada com a operação do FCC-ee (Future Circular Collider - electron- positron), onde é planejado um aumento na luminosidade e energia de centro de massa alcançada, de forma que será possível obter informações mais precisas sobre os termos de mistura dos neutrinos RH com os neutrinos ativos (ABADA et al.,2015;BLONDEL et al.,2016).
No LHC, os processos envolvem a colisão entre prótons, que são partículas compostas, de forma que o sinal obtido referente aos neutrinos RH não é tão limpo quanto o sinal do LEP, havendo maior dificuldade na análise dos dados. Além disso, para uma determinada assinatura, existe um grande número de processos que podem fornecer um sinal semelhante, seja por outros canais ou erros na identificação das partículas envolvidas nos eventos, o que pode fazer com que o sinal que estamos procurando estejam "enterrados"no ruído, o que faz com que a análise dos processos seja uma tarefa difícil. Além disso, os termos de mistura entre os neutrinos RH e os neutrinos ativos são pequenos, logo devemos procurar por canais envolvendo os neutrinos RH cujo sinal seja o mais limpo possível, para que seja possível inferir os termos de mistura de forma precisa.
Um dos canais em que é possível observar a presença dos neutrinos RH são os processos que possuem dois léptons de mesma carga e sabor e jatos no estado final, também conhecido como canal dilepton, pp → `±`±+ jj, onde ` denota os léptons envolvidos no estado final e j é
Figura 7 – Diagramas para o processo u ¯d → N `+→ `+`++ j
1j2, com a presença dos neutrinos
RH.
referente aos jatos (jets) resultantes. Uma propriedade importante desse processo é a presença da violação de número leptônico em duas unidades, o que é uma consequência da natureza de Majorana dos neutrinos. Porém, para uma melhora no sinal observado, supõe-se que o segundo bóson W produzido decai em dois jatos, pois a princípio o W poderia decair em um par de léptons, o que geraria um risco de erros na identificação dos léptons. Um outro fator que faz com que o canal de decaimento do W com o par de jatos seja preferencial sobre o canal dos léptons é que a existência de neutrinos no estado final faz com que haja energia faltante no sinal observado, o que dificultaria a análise dos dados.
Isso indica que, além de ser capaz de prover limites às propriedades dos neutrinos RH, o LHC também é capaz de verificar a natureza dos neutrinos. Para o canal dilepton, existem dois canais que podem ser analisados (NG; PUENTE; PAN,2015):
• A aniquilação u ¯d, obtida pelo canal s de interação, tendo como processo u+ ¯d → N +`+ → `+`++ W , com o bóson W decaindo em dois jatos. As duas possíveis contribuições para
esse canal estão representadas nos diagramas na Figura7.
• A fusão WW, obtida pelo canal t de interação, onde ocorre o processo u+u → d+l+l++d, com duas possíveis contribuições representadas pelos diagramas da Figura8.2
É possível obter limites para os termos de mistura dos neutrinos de ambos os canais, visto que existem vértices envolvendo os neutrinos RH e os léptons do MP, porém esses dados
Figura 8 – Duas possíveis contribuições referentes ao processo u + u → d + d + l+l+.
são referentes à interação dos neutrinos com o bóson W±, o que difere do caso do LEP, onde apenas o canal envolvendo o bóson de gauge Z pode dar informações sobre a mistura com as 3 famílias. Os melhores dados no LHC são obtidos quando os léptons envolvidos no processo são os múons, pois por condições experimentais, o sinal do múon possui uma melhor definição do que os sinais provenientes do elétron e do tau, que pode decair em hádrons. Dos dois casos previstos no LHC, a aniquilação ud é mais provável de ser observada, visto que o neutrino RH produzido pode ser on ou off-shell, ou seja, ele pode ser real ou virtual a depender da sua massa e da energia na qual o bóson W±foi produzido, enquanto no segundo caso o neutrino RH sempre será virtual, o que torna a reconstrução do evento mais complexa.
Uma das vantagens obtidas pelo LHC em relação ao LEP é que, diferentemente dos resultados obtidos pelo LEP, a massa do neutrino RH não está suprimida, de forma que é possível analisar um maior espectro de massa para os neutrinos RH. Entretanto, há uma perda de sensibilidade com o aumento da massa, como esperado pela redução da magnitude do termo de mistura previsto pelo Mecanismo Seesaw Tipo-I usual. Assim, ambos os colisores apresentam um papel complementar na análise das propriedades dos neutrinos RH.