Un esperimento internazionale ha reso possibile identificare un limite superiore per la massa di questa sfuggente e misteriosa particella.

 

‎Il KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment (KATRIN), situato presso il Karlsruhe Institute of Technology (KIT), ha infranto un’importante barriera nella fisica dei neutrini, rilevante sia per la fisica delle particelle che per la cosmologia.

Come pubblicato sulla rivista ‎‎Nature Physics‎‎, è stato ottenuto un nuovo limite superiore di 0,8 elettronvolt (eV) per la massa del neutrino. Significa che è stata “pesata” questa leggerissima particella con una precisione senza precedenti.‎

‎L’esperimento internazionale KATRIN, con partner di sei Paesi, utilizza il decadimento beta del trizio, un isotopo dell’idrogeno instabile, per determinare la massa del neutrino attraverso la distribuzione di energia degli elettroni rilasciati nel processo di decadimento.

In questo tipo di decadimento un neutrone del nucleo atomico decade in un protone emettendo un elettrone e un antineutrino (cioè che gira su se stesso nel verso contrario al neutrino).

Proprio per spiegare il risultato di questo decadimento, negli anni trenta del secolo scorso, è stata ipotizzata l’esistenza di una particella di carica neutra e di massa infinitesimale, da cui il nome neutrino.

Per decenni si è dibattuto sulla sua esistenza, dato che proprio per queste sue caratteristiche è molto refrattaio a interagire con altre particelle e quindi a essere individuato dai rilevatori.

A lungo si è disquisito anche sulla sua massa, ritenuta in alcune ipotesi nulla (come quella dei fotoni) e solo grazie a immensi rilevatori si è potuto non solo catturalo, ma anche stabilire che ha un suo peso, seppur molto piccolo. Per fare un paragone, l’elettrone è seicentomila volte più pesante, anche se finora la massa del neutrino non era stata misurata con la stessa precisione.

L’impresa ha richiesto un grande sforzo tecnologico: l’esperimento lungo 70 metri ospita la fonte di trizio più intensa del mondo e uno spettrometro gigante per misurare l’energia degli elettroni di decadimento con una precisione senza precedenti. ‎

‎L’alta qualità dei dati dopo l’avvio delle misurazioni scientifiche nel 2019 è stata continuamente migliorata negli ultimi due anni. “KATRIN è un esperimento con i più alti requisiti tecnologici e ora funziona come un perfetto orologio” spiega Guido Drexlin (KIT), il leader del progetto e uno dei due co-portavoce dell’esperimento. Christian Weinheimer (Università di Münster), l’altro co-portavoce, aggiunge che “l’aumento della velocità del segnale e la riduzione del rumore di fondo sono stati decisivi per il nuovo risultato”. ‎

‎L’analisi approfondita di questi dati è stata fatta dal team internazionale guidato dai suoi due coordinatori, Susanne Mertens (Max Planck Institute for Physics e TU Munich) e Magnus Schlösser (KIT). Ogni effetto, non importa quanto piccolo, doveva essere studiato in dettaglio.

‎I ‎‎dati sperimentali‎‎ del primo anno di misurazioni e la modellazione basata su una massa di neutrini estremamente piccola corrispondono perfettamente: da questo, si può determinare un nuovo limite superiore sulla massa del neutrino di 0,8 eV (‎‎Nature Physics‎‎, luglio 2021).

“La comunità della fisica delle particelle è entusiasta del fatto che la barriera 1-eV sia stata rotta da KATRIN”, afferma l’esperto di neutrini John Wilkerson (Università della Carolina del Nord, presidente del comitato esecutivo). ‎

‎Susanne Mertens spiega il percorso verso il nuovo record: “Il nostro team dell’MPP di Monaco di Baviera ha sviluppato un nuovo metodo di analisi per KATRIN appositamente ottimizzato per i requisiti di questa misurazione ad alta precisione. Questa strategia è stata utilizzata con successo per i risultati passati e attuali. Il mio gruppo è fortemente motivato: continueremo ad affrontare le sfide future dell’analisi KATRIN con nuove idee creative e precisione meticolosa”.‎

‎I co-portavoce e i coordinatori dell’analisi di KATRIN sono molto ottimisti sul futuro: “Ulteriori misurazioni della ‎‎massa‎‎ del neutrino continueranno fino alla fine del 2024. Per realizzare il pieno potenziale di questo esperimento unico stiamo continuamente sviluppando e installando miglioramenti per abbassare ulteriormente il rumore di fondo”.

‎Lo sviluppo di un nuovo sistema di rivelatori (TRISTAN) permetterà a KATRIN dal 2025 in poi di intraprendere una ricerca di ‎‎neutrini‎‎ “sterili” (che interagiscono cioè solo con la forza di gravità) con masse nell’intervallo kiloelettronvolt, un candidato per la misteriosa materia oscura nel cosmo che si è già manifestata in molte osservazioni astrofisiche e cosmologiche, ma la cui natura fisica è ancora sconosciuta.‎

 

Crediti: Joachim Wolf/KIT

 

 

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