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Due grandi esperimenti non hanno trovato alcuna prova di neutrini sterili – particelle ipotetiche che potrebbero aiutare a spiegare alcune osservazioni sconcertanti nella fisica delle particelle.
L’esperimento KATRIN ha cercato neutrini sterili che potessero essere prodotti durante il decadimento radioattivo del trizio; mentre l’esperimento MicroBooNE cercava l’effetto dei neutrini sterili sulla trasformazione dei neutrini muoni in neutrini elettronici.
I neutrini sono particelle subatomiche di bassa massa con carica elettrica zero che interagiscono con la materia solo tramite la debole forza nucleare e la gravità.
Questo rende difficili il rilevamento dei neutrini, nonostante il fatto che le particelle vengano prodotte in gran quantità dal Sole, dai reattori nucleari e dalle collisioni con acceleratori di particelle.
I neutrini furono proposti per la prima volta nel 1930 per spiegare l’apparente mancanza di momento, spin ed energia nel decadimento radioattivo beta dei nuclei.
Furono osservati per la prima volta nel 1956 e nel 1975 i fisici erano certi che esistessero tre tipi (sapori) di neutrini – elettrone, muone e tau – insieme alle rispettive antiparticelle.
Allo stesso tempo, però, stava diventando evidente che qualcosa non andava nella descrizione dei neutrini nel Modello Standard perché il flusso osservato di neutrini da fonti come il Sole non corrispondeva alle previsioni teoriche.
Poi, alla fine degli anni ’90, esperimenti in Canada e Giappone rivelarono che i neutrini di un sapore si trasformano in altri sapori e poi si propagano nello spazio.
Questo fenomeno quantistico è chiamato oscillazione dei neutrini e richiede che i neutrini abbiano sia sapore che massa.
Takaaki Kajita e Art McDonald hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisica 2015 per questa scoperta – ma non è la fine della storia.
Una lacuna enorme nella nostra conoscenza è che i fisici non conoscono le masse dei neutrini – avendo misurato solo i limiti superiori per le tre versioni. Inoltre, ci sono alcune prove sperimentali che la descrizione attuale dell’oscillazione dei neutrini nel Modello Standard non è del tutto corretta.
Questo include flussi di neutrini inferiori alle aspettative da alcuni nuclei in decadimento beta e alcune oscillazioni anomale nei fasci di neutrini.
Una possibile spiegazione per queste anomalie di oscillazione è l’esistenza di un quarto tipo di neutrino.
Poiché non abbiamo ancora rilevato questa particella, si presume che non interagisca tramite l’interazione debole – motivo per cui queste particelle ipotetiche sono chiamate neutrini sterili.
Ora, due esperimenti con neutrini molto diversi non hanno entrambi riportato alcuna evidenza di neutrini sterili. Uno è KATRIN, situato presso l’Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT) in Germania.
Ha la missione principale di effettuare una misurazione molto precisa della massa dell’antineutrino elettronico.
L’idea è misurare lo spettro energetico degli elettroni emessi nel decadimento beta del trizio e dedurre un limite superiore alla massa dell’antineutrino elettronico dalla forma della curva.
Se esistono neutrini sterili, a volte potrebbero essere emessi al posto degli antineutrini elettronici durante il decadimento beta. Questo avrebbe cambiato lo spettro energetico degli elettroni – ma ciò non è stato osservato a KATRIN.
“Nelle campagne di misurazione alla base di questa analisi, abbiamo registrato oltre 36 milioni di elettroni e confrontato lo spettro misurato con modelli teorici. Non abbiamo trovato alcuna indicazione di neutrini sterili,” afferma Kathrin Valerius dell’Istituto di Fisica delle Astroparticelle del KIT e co-portavoce della collaborazione KATRIN.
Nel frattempo, i fisici dell’esperimento MicroBooNE al Fermilab negli Stati Uniti hanno cercato prove di neutrini sterili nel modo in cui i neutrini muoni oscillano in neutrini elettronici.
I fasci di neutrini muoni vengono creati sparando un fascio di protoni contro un bersaglio solido.
I neutrini al Fermilab viaggiano quindi per diverse centinaia di metri (in parte attraverso terreno solido) fino alla camera di proiezione temporale liquido-argon di MicroBooNE.
Questo rileva neutrini elettronici con alta risoluzione spaziale ed energetica, permettendo studi dettagliati delle oscillazioni dei neutrini.
Se esistono neutrini sterili, sarebbero coinvolti nel processo di oscillazione e quindi influenzerebbero il numero di neutrini elettronici rilevati da MicroBooNE.
Negli esperimenti furono utilizzati fasci di neutrini provenienti da due fonti diverse, ma non furono trovate prove di neutrini sterili.
Insieme, questi due esperimenti escludono i neutrini sterili come spiegazione per alcune – ma non tutte – anomalie di oscillazione precedentemente osservate.
Quindi è necessario più lavoro per comprendere appieno la fisica dei neutrini. In effetti, gli esperimenti attuali e futuri sui neutrini sono ben posizionati per scoprire la fisica oltre il Modello Standard, il che potrebbe portare a soluzioni ad alcuni dei più grandi misteri della fisica.
“Ogni volta che escludi un luogo dove potrebbe esserci una fisica oltre il Modello Standard, ti fa guardare altrove”, dice Justin Evans dell’Università di Manchester nel Regno Unito, co-portavoce di MicroBooNE.
“Questo è un risultato che stimolerà davvero una spinta creativa nella comunità della fisica dei neutrini a proporre nuovi modi entusiasmanti per cercare nuova fisica.”
Immagine: Markus Breig/KIT
