Da oltre trent’anni, la comunità internazionale della fisica delle particelle cerca una risposta a un’inaspettata osservazione sperimentale, la cosiddetta “anomalia del gallio”. Nel corso degli anni, questa anomalia è stata interpretata come possibile indizio di nuova fisica, fino a ipotizzare l’esistenza di una nuova particella elementare, il cosiddetto “neutrino sterile”. Ora, un nuovo studio, condotto da ricercatori e ricercatrici delle sezioni Infn di Cagliari e Torino, pubblicato oggi, 24 settembre, su Physical Review Letters, propone una possibile spiegazione alternativa: l’anomalia potrebbe non essere dovuta a una nuova particella, ma a un’approssimazione utilizzata nei calcoli teorici.
L’esperimento Gallex all’interno dei Laboratori nazionali del Gran Sasso. Crediti: Infn
L’anomalia del gallio nasce negli anni Novanta, quando gli esperimenti Gallex, ai Laboratori nazionali del Gran Sasso dell’Infn, e Sage, attivo presso il Baksan Neutrino Observatory, in Russia, utilizzarono grandi quantità di gallio per studiare la cattura di neutrini elettronici. In questi esperimenti, quando un neutrino elettronico era catturato da un nucleo di gallio-71, si creava un elettrone e un neutrone del nucleo si trasformava in un protone, generando così un nucleo di germanio-71. Contando gli atomi di germanio prodotti è stato quindi possibile risalire al numero di neutrini catturati. Il numero osservato, però, è risultato sistematicamente inferiore a quello previsto dalla teoria: circa il 20 per cento in meno. È nata così quella che oggi è conosciuta come “anomalia del gallio”, confermata anche più recentemente dall’esperimento Best al Baksan Neutrino Observatory. Con una significatività statistica ormai superiore a cinque deviazioni standard, questo deficit è diventato una delle principali motivazioni sperimentali per ipotizzare l’esistenza di un quarto neutrino, detto ““sterile”: una scoperta che aprirebbe scenari di nuova fisica, oltre il modello standard della fisica delle particelle.
«Il nostro lavoro indica una possibilità differente: l’anomalia potrebbe non derivare da una nuova particella, ma da un’approssimazione incorporata nel calcolo teorico della sezione d’urto di cattura del neutrin», spiega Matteo Cadeddu, ricercatore Infn e coordinatore dello studio. «Convenzionalmente, per calcolare la probabilità che un neutrino venga catturato da un nucleo di gallio (sezione d’urto), si separa la trattazione delle funzioni d’onda di neutrino ed elettrone dalla descrizione di ciò che avviene all’interno del nucleo, assumendo che tali funzioni d’onda rimangano sostanzialmente costanti nel volume considerato. Questo approccio semplifica notevolmente i calcoli ma trascura la variazione spaziale delle funzioni d’onda nella regione nucleare».
Il nuovo studio supera questa approssimazione e tratta, invece, congiuntamente la componente leptonica, relativa al neutrino e all’elettrone, e quella nucleare. In particolare, considera come le funzioni d’onda dell’elettrone e del neutrino variano nello spazio all’interno del nucleo. Questo trattamento più completo permette di tenere conto di un effetto che nei calcoli convenzionali rimane nascosto: contributi provenienti da regioni diverse del nucleo possono interferire tra loro e, in alcuni casi, cancellarsi parzialmente.
«Il punto importante è che, quando non si separano la parte leptonica e quella nucleare del processo, la struttura spaziale della transizione nucleare può avere un effetto diretto sulla probabilità di cattura del neutrino», spiega Nicola Cargioli, ricercatore Infn e coautore dello studio. «Per alcune descrizioni nucleari fisicamente plausibili, questo effetto può diventare sufficientemente grande da modificare in modo significativo la previsione teorica».
Il nuovo trattamento può infatti portare a una riduzione della probabilità di cattura del neutrino di circa il 20 per cento rispetto alle previsioni ottenute con i calcoli convenzionali, riconciliandola con i valori osservati negli esperimenti Gallex, Sage e Best.
«Il risultato non dimostra ancora definitivamente che l’anomalia del gallio sia dovuta a un’approssimazione», sottolinea Luca Ferro, dottorando all’Università di Cagliari e ricercatore Infn, coautore dello studio. «Il passo successivo sarà quello di verificare questa possibilità attraverso calcoli microscopici di struttura nucleare, che permettano di determinare con maggiore precisione come avviene la transizione di neutrini ed elettroni nei nuclei di gallio e germanio».
«Se questa interpretazione fosse confermata, le conseguenze andrebbero ben oltre la spiegazione dell’anomalia del gallio», conclude Cadeddu. «Lo stesso tipo di effetto potrebbe infatti essere rilevante anche in altri processi nucleari deboli, dalla cattura elettronica al decadimento beta fino alle interazioni neutrino-nucleo, aprendo la possibilità di osservare effetti finora trascurati».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “A possible solution to the gallium anomaly moving beyond the leptonic wave function factorization”, di M. Cadeddu, N. Cargioli, F. Dordei, L. Ferro, C. Giunti e M. Pitzalis