I neutrini sono particelle subatomiche elementari tra le più elusive: possono attraversare praticamente qualsiasi materiale e sono estremamente difficili da rilevare perché interagiscono solo debolmente con la materia. Sebbene molte delle loro proprietà restino ancora misteriose, gli scienziati sanno che ne esistono tre tipi (o “sapori”): neutrino elettronico, muonico e tauonico. Comprendere queste diverse identità può aiutare ad approfondire la conoscenza delle masse dei neutrini e a rispondere a domande fondamentali sull’evoluzione dell’universo, tra cui il motivo per cui nell’universo primordiale la materia ha finito per prevalere sull’antimateria.
All’interno del Super-Kamiokande. Crediti: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo.
«Il motivo per cui i neutrini sono davvero così interessanti è che cambiano sapore», spiega Zoya Vallari, dell’Ohio State University. «Immaginate di prendere un gelato al cioccolato, camminare per strada e vederlo improvvisamente trasformarsi in menta – e poi cambiare di nuovo, ogni volta che si muove».
Questo fenomeno, chiamato oscillazione dei neutrini, può verificarsi sia con i neutrini prodotti artificialmente in laboratorio sia con quelli presenti in natura. Nel tentativo di comprendere meglio questo comportamento mutevole, l’esperimento Nova (Numi Off-axis νe Appearance) negli Stati Uniti e l’esperimento T2K in Giappone hanno unito le forze, inviando fasci di neutrini per centinaia di chilometri e misurando come il loro “sapore” cambiasse durante il viaggio.
Nonostante avessero obiettivi simili, i due esperimenti hanno utilizzato energie dei neutrini diverse e hanno studiato le oscillazioni su distanze diverse. Nova ha inviato un fascio di neutrini muonici dal Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti, vicino a Chicago, Illinois, a un rilevatore lontano ad Ash River, Minnesota, mentre l’esperimento T2K ha inviato neutrini muonici dalla costa orientale del Giappone attraverso il paese a un rilevatore nelle montagne del Giappone occidentale.
Lo studio è stato recentemente pubblicato su Nature e si basa su lavori precedenti che avevano rilevato differenze minime, ma comunque molto significative, nella massa dei neutrini per ciascun tipo. Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno cercato indizi più profondi che indicassero che i neutrini operano al di fuori delle leggi standard della fisica. Una delle domande a cui gli scienziati cercano di rispondere è se i neutrini e le loro controparti di antimateria si comportino in modo diverso, un fenomeno noto come violazione della simmetria CP (carica e parità). Al momento, tuttavia, questo comportamento non è ancora stato confermato. Se i dati futuri dovessero dimostrare che esiste tale differenza, i ricercatori sarebbero un passo più vicini a comprendere come l’universo sia diventato composto prevalentemente di materia, invece di essere annientato dall’antimateria subito dopo il Big Bang.
Sebbene questi risultati non rispondano in modo definitivo al ruolo che i neutrini svolgono nella struttura dell’universo, aumentano comunque le conoscenze degli scienziati su di essi. «I nostri risultati dimostrano che abbiamo bisogno di più dati per poter rispondere in modo significativo a queste domande fondamentali», afferma Vallari. «Ecco perché è importante realizzare la prossima generazione di esperimenti».
Secondo lo studio, combinando i risultati dei due esperimenti, i ricercatori hanno potuto affrontare queste importanti questioni fisiche da diverse prospettive. Grazie alle differenze nelle linee di base e nelle energie dei due esperimenti, le possibilità di ottenere risposte a tali domande sono significativamente maggiori rispetto a quanto potrebbe fare un singolo esperimento.
«Questo lavoro è straordinariamente complesso e ogni collaborazione coinvolge centinaia di persone», afferma John Beacom, professore di fisica e astronomia presso l’Ohio State. «Collaborazioni come queste sono solitamente in competizione tra loro, quindi il fatto che qui stiano cooperando dimostra quanto sia alta la posta in gioco».
I ricercatori prevedono di continuare a utilizzare le collaborazioni Nova e T2K per studiare l’evoluzione del comportamento dei neutrini, aggiornando le loro analisi man mano che saranno disponibili nuovi dati. Le conoscenze derivanti da questo studio potrebbero gettare le basi per i futuri esperimenti sui neutrini, in grado di apportare scoperte rivoluzionarie nel settore.
«La fisica delle particelle ci ha fornito molte tecnologie, ma per me la motivazione principale rimane la curiosità umana di comprendere la nostra origine e il nostro posto nell’universo», conclude Vallari, che sta formando un team presso l’Ohio State per sviluppare un nuovo rilevatore di neutrini, che dovrebbe entrare in funzione alla fine del decennio.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Joint neutrino oscillation analysis from the T2K and NOvA experiments” di The NOvA Collaboration & The T2K Collaboration