Il Laboratorio IceCube presso la stazione del Polo Sud in Antartide. Crediti: University of Wisconsin-Madison
Nel tentativo di completare il puzzle del Modello Standard per la fisica delle particelle, gli scienziati stanno conducendo una ricerca estremamente accurata per scovare una particella ipotetica chiamata neutrino sterile. Una volta verificata la sua esistenza, il neutrino sterile potrebbe contribuire a spiegare una serie di enigmi riguardanti la famiglia dei neutrini, nonché a risolvere il mistero dell’origine della materia oscura e dell’asimmetria tra materia e antimateria nell’Universo.
I neutrini sono particelle sfuggenti, con una massa estremamente piccola e caratterizzati da rarissime interazioni con la materia. Migliaia di miliardi di neutrini attraversano i nostri corpi ogni manciata di secondi, ma non ce ne accorgiamo perché attraversano la materia di cui siamo fatti senza intaccarla. Al momento conosciamo tre tipi di neutrini: il neutrino muonico, quello elettronico e quello tauonico. Diversi esperimenti hanno indicato la possibile esistenza di una quarta tipologia di neutrino: quello sterile. Il neutrino sterile, attualmente una particella ipotetica, non interagirebbe con la materia attraverso nessuna delle forze fondamentali, esclusa la gravità.
La scoperta del neutrino sterile metterebbe in seria discussione il Modello Standard. «Se si aggiunge un quarto tipo di neutrino cambia tutto», spiega Francis Halzen, professore presso la University of Wisconsin-Madison e principal investigator dell’IceCube Neutrino Observatory, l’immenso rivelatore collocato nelle profondità dei ghiacci del Polo Sud. «L’aggettivo ‘sterile’ significa che il neutrino aggiuntivo non interagisce con la materia, anche se può interferire in maniera importante con il modo in cui lo fanno i tre neutrini convenzionali».
L’unica maniera per rilevare un neutrino sterile è di catturarlo nel momento in cui si trasforma in uno degli altri tipi di neutrino. La presenza di un neutrino sterile è stata suggerita da una serie di esperimenti, tra cui quelli condotti al Los Alamos National Laboratory nel 1990, e più di recente quelli realizzati presso il reattore nucleare di Daya Bay, vicino a Hong Kong. Ma la prova definitiva dell’esistenza di questa particella ancora non è stata trovata.
Rappresentazione schematica del funzionamento di IceCube. Crediti: University of Wisconsin-Madison
In uno studio pubblicato sull’ultimo numero della rivista scientifica Physical Review Letters, i ricercatori che fanno parte della collaborazione IceCube potrebbero aver scritto la parola fine per la ricerca di questo quarto tipo di neutrino. Con due analisi indipendenti dei dati raccolti dal rivelatore antartico, ciascuno composto da un anno intero di rivelazioni, in tutto circa 100.000 eventi, non sono riusciti a trovare alcun segnale della presenza del neutrino sterile.
Le analisi sono state effettuate utilizzando i neutrini atmosferici, ovvero quelli creati dall’impatto di un raggio cosmico con gli strati superiori dell’atmosfera terrestre. I ricercatori concludono che c’è il 99% di probabilità che il neutrino sterile non esista. «C’erano una serie di indicazioni a favore dell’esistenza di questo quarto neutrino sterile, molti teorici erano convinti che esistesse», dice Halzen. La ricerca condotta dal team IceCube ha osservato in particolare gli eventi che si sono verificati nell’intervallo di energia che va da 320 miliardi di eV a 20 mila miliardi di eV (eV sta per elettronvolt). In questo intervallo i neutrini sterili avrebbero dovuto produrre un segnale evidente e inconfondibile.
L’interesse nei confronti dell’esistenza di un quarto tipo di neutrino è enorme, poiché tale particella sarebbe in grado di colmare una serie di lacune teoriche, e aiuterebbe i cosmologi a far luce su alcuni importanti quesiti al momento senza risposta, tra cui la natura della materia oscura. La sua mancata rivelazione significa che la fisica ha ancora molta strada da fare per comprendere appieno le fondamenta dell’Universo.
«Questo risultato mette in evidenza la versatilità dell’esperimento IceCube», spiega Olga Botner, professoressa di fisica e astronomia presso l’Università di Uppsala e portavoce della collaborazione IceCube. «Non è solo uno strumento per l’esplorazione dell’Universo violento, ma permette anche di effettuare studi dettagliati delle proprietà dei neutrini».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Searches for Sterile Neutrinos with the IceCube Detector” di M. G. Aartsen et al