Neutrino flavor oscillations without flavor states

Abstract

Oscilações de neutrinos fornecem evidências concretas para a necessidade de física além do Modelo Padrão, ao demonstrar que neutrinos---que são partículas sem massa no Modelo Padrão---de fato possuem massa. Não apenas isso, mas o fenômeno exige que os campos correspondentes a neutrinos de massa bem definida (isto é, neutrinos que representam o espectro de partículas reais da teoria) não coincidem com neutrinos de sabor bem definidos (dados pelos campos que participam explicitamente nas interações fracas). Isso levanta perguntas importantes com relação a quais objetos são tidos como ``fundamentais'' ao formular a descrição teórica de medidas de oscilação de neutrinos, especialmente no que diz respeito à definição de estados de sabor para os neutrinos. No presente trabalho, explicamos como esses problemas surgem, e de que maneira é possível resolvê-los através de uma formulação teórica onde apenas campos e estados referentes a neutrinos de massa bem definida são evocados; em particular, mostraremos que não há necessidade para qualquer noção de ``estados de neutrinos de sabor'' para a descrição do fenômeno de oscilação de neutrinos em teoria quântica de campos. Ao fazer isso, exibiremos uma formulação teórica que desenvolve a noção de medições locaizadas em teoria quântica de campos via o conceito de detectores de partículas, o que tem se mostrado uma ferramenta poderosa não apenas para física de partículas, mas também para diversas outras áreas da física teórica.

Neutrino oscillations provide us with concrete evidence for the necessity of physics beyond the Standard Model, by showing that neutrinos---which are massless particles in the Standard Model---actually do have mass. Not only that, but they also require that fields corresponding to neutrinos with well-defined mass (i.e., neutrinos which represent the spectrum of real particles of the theory) do not coincide with neutrinos with well-defined flavor (i.e., the fields that explicitly participate in the weak interactions). This may raise important conceptual questions with regards to the objects that one assigns as ``fundamental'' when providing theoretical descriptions of neutrino oscillation measurements, especially when it comes to the definition of neutrino flavor states. In this work, we explain how those issues arise, and how one can solve those issues by properly devising a framework where only fields with well-defined mass are evoked; in particular, we show there is no need for a notion of ``flavor neutrino state'' in a theoretical description of neutrino oscillations within quantum field theory. In doing so, we will also exhibit an efficient theoretical formulation where one can conceptualize localized measurements in quantum field theory based on the notion of a fermionic \emph{particle detector}, which is a powerful tool not only to particle physics, but to many other areas in theoretical physics.