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Hai sentito parlare di neutrini? Sono un insieme di particelle subatomiche che potrebbero causare un certo clamore scientifico nei prossimi anni. Scopri cosa rende così speciali questi piccoli timidi e come i fisici delle particelle svizzeri sono coinvolti nella risoluzione di uno dei misteri più tenaci dell'Universo...
Un neutrino entra in un bar. Il barista chiede: "Posso portarti qualcosa?" "No grazie", dice il neutrino, "solo di passaggio..."
Perché è divertente? Ebbene, perché si riferisce a una delle caratteristiche più importanti del neutrino, una delle particelle elementari più abbondanti: attraversa tutto continuamente e non interagisce quasi mai. Ciò lo rende affascinante per i fisici e piuttosto difficile da studiare. Dopotutto, come si studia qualcosa che non si può vedere, sentire o cogliere; qualcosa che non compare nei rivelatori di particelle convenzionali (che hanno l'abitudine di rendere visibili le cose invisibili) ma che contiene la chiave per uno scrigno colmo di nuove conoscenze sull'Universo? Ci sono modi per farlo e persone che conoscono questi modi. Lascia che ti portiamo in un viaggio nel mondo del neutrino e delle persone che si occupano del suo mistero, inclusi molti ricercatori svizzeri.
Ma prima di tutto: perché questa piccola cosa è un grosso problema? "Ci sono molte questioni aperte sui neutrini", afferma il prof. Michele Weber dell'Università di Berna. Ad esempio, sono essenziali per dare una risposta alla domanda sul perché l'Universo sia fatto di materia e non di antimateria, anche se entrambi devono essere stati prodotti in uguale quantità al Big Bang. Una minuscola differenza tra le particelle e le loro antiparticelle - che secondo la teoria dovrebbero essere identiche in ogni aspetto tranne che per la loro carica - spiega lo squilibrio e gli scienziati pensano che i neutrini potrebbero almeno contribuire a trovare una spiegazione del perché la materia domini sull'antimateria.
I neutrini sono anche messaggeri dallo spazio. Sono le prime particelle che volano fuori da stelle esplosive come le supernove e catturarle significa che gli scienziati catturano i primi segni di un grande evento stellare e sono in grado di osservarlo per intero. Osservare la nascita di un buco nero e la nascita di nuove stelle quasi in tempo reale ci porterà molto avanti rispetto alla nostra attuale conoscenza di questi processi universali.
"Ma, come tutte le particelle elementari, anche i neutrini sono affascinanti di per sé", afferma Weber, che, come i suoi colleghi di fisica, ama le sfide. “I neutrini lo sono soprattutto perché sono così difficili da misurare. Non conosciamo uno dei loro parametri più fondamentali: la loro massa! Potrebbe esserci un quarto neutrino o nuovi effetti che vanno oltre il Modello Standard della fisica delle particelle? Il suo collega dell'Università di Ginevra, il Prof. Federico Sanchez, è d'accordo. “Ci sono molte ragioni per cui dovremmo studiare i neutrini. Inoltre, non sappiamo come ottengano la loro massa e perché questo processo sia apparentemente così diverso dal modo in cui le altre particelle acquisiscono massa", spiega. Sanchez e Weber stanno cercando di scoprirlo, insieme a circa 5000 fisici in tutto il mondo, inclusi alcuni attori chiave in diverse università e istituti svizzeri.
Quindi facciamo il punto su ciò che sappiamo. I neutrini, postulati per la prima volta nel 1930 e scoperti negli anni '50, sono particelle non cariche. Sono molto leggeri e si presentano in tre tipi, o “sapori”, che sono direttamente legati alla famiglia degli elettroni, i cui cugini più pesanti sono chiamati muone e tau. Ciò significa che ci sono neutrini elettronici, neutrini muonici e, hai indovinato, neutrini tau. Per molto tempo gli scienziati sospettavano che i neutrini potessero non avere alcuna massa, ed è così che sono ancora implementati nel Modello Standard della fisica delle particelle, la teoria che descrive tutte le particelle elementari e le forze che agiscono tra di loro. Ma una ventina di anni fa, gli scienziati hanno trovato la prova che i neutrini possono cambiare da un sapore all'altro, un processo chiamato oscillazione. Ciò a sua volta significava che non può essere privo di massa, ma quali sono le loro masse esatte e quale dei sapori è il più pesante rimane un mistero.
Ricordi la barzelletta dall'inizio? Il fatto che passino attraverso senza interagire non è uno scherzo quando si cerca di studiare i neutrini, perché sono così difficili da catturare. Giusto per darti un'idea: trilioni di loro passano attraverso il tuo mignolo ogni secondo, e non solo attraverso l'alluce, ma anche attraverso la terra sotto i tuoi piedi. In effetti, la maggior parte viaggia attraverso l'intero pianeta senza mai essere fermata dalla materia. L'unico modo per aumentare le tue possibilità di vederne uno è inviarne molti in un viaggio e avere rivelatori giganti e altamente sensibili con molto materiale per farli interagire e catturare tutte le tracce di ciò che accade quando un neutrino interagisce.
Ed è esattamente così che qui sulla Terra è iniziata la caccia. In realtà, la maggior parte della caccia non è sulla *Terra* ma sotto di essa – in enormi serbatoi pieni d'acqua sotto le montagne e in vecchie miniere dotate di rilevatori. I fisici hanno ideato questi esperimenti con fasci di neutrini in profondità nel sottosuolo perché vogliono bloccare le influenze esterne come i raggi cosmici per un segnale più chiaro.
Uno di questi esperimenti è il progetto “T2K” in Giappone. Fasci di neutrini o antineutrini vengono inviati da un laboratorio sulla costa orientale del Giappone a 295 km dall’osservatorio di Kamioka in una miniera in disuso sulla costa occidentale, in una vasca piena d'acqua grande quanto 20 piscine olimpioniche di 1000 metri metropolitana. Il fascio di neutrini proviene da un fascio di protoni pulsato su un bersaglio e contiene un trilione di neutrini (o antineutrini) ad altissima energia per impulso. La maggior parte di questi non si vedrà mai più, ma quelli che lo saranno verranno esaminati da ricercatori come Federico Sanchez. Attualmente è il portavoce internazionale della collaborazione di circa 500 scienziati e lavora su un'apparecchiatura cruciale: il rivelatore vicino. Per capire cosa è successo al raggio lungo il percorso, devi sapere che aspetto ha all'inizio, e per questo c'è un altro rivelatore a 280 metri dal punto in cui vengono prodotti i neutrini, chiamato "rilevatore vicino".
"La maggior parte della fisica viene effettivamente eseguita nel rivelatore vicino", afferma Sanchez. "Lo usiamo per controllare quante particelle ci sono e quale energia hanno prima che oscillino", spiega. I dati del rilevatore vicino e lontano vengono quindi confrontati per tracciare le oscillazioni che si sono verificate nel mezzo. Questo viene fatto per due serie di dati: uno dai neutrini e uno dagli antineutrini. Se c'è una differenza nel modo in cui si comportano, questa è un'indicazione di uno squilibrio che potrebbe essere la chiave della domanda sul perché siamo fatti di materia piuttosto che di antimateria. In effetti, le loro scoperte sono arrivate sulla copertina di Nature nel 2020 perché indicano una differenza piuttosto grande. Non è una prova sufficiente per rivendicare una scoperta, ma Sanchez e il suo team dell'Università di Ginevra e altri gruppi in tutto il mondo stanno attualmente lavorando a un aggiornamento che dovrebbe essere installato verso la fine di quest'anno. Con la maggiore sensibilità e più dati da analizzare, sperano di avvicinarsi alla comprensione di questa differenza.
I fisici non sarebbero fisici se non mirassero a rivelatori ancora migliori, velocità ed energie più elevate e molti più dati. Ecco perché sono attualmente in costruzione due esperimenti che si completano a vicenda nella loro ricerca di un esame incrociato del neutrino: il rivelatore HyperKamiokande (HK) in Giappone e l'esperimento DUNE negli Stati Uniti. Entrambi dovrebbero iniziare a funzionare alla fine del decennio. L'Università di Ginevra e ETHZ sono coinvolte in HK, il successore di T2K, mettendo la loro esperienza nel rivelatore vicino e lontano, che sarà 10 volte più grande del suo predecessore e conterrà 500.000 tonnellate di acqua ultrapura. Allo stesso tempo, Michele Weber e il suo team dell'Università di Berna sono attualmente impegnati nella costruzione di un prototipo per il rilevatore vicino di DUNE (in collaborazione con altri 30 istituti di tutto il mondo).
DUNE, che sta per Deep Underground Neutrino Experiment, ha lo stesso principio di T2K: un raggio di neutrini prodotto da un acceleratore, questa volta al Fermilab vicino a Chicago, viene inviato a un rivelatore in una miniera nel South Dakota, a circa 1300 chilometri di distanza. Una volta terminato, ospiterà il più grande rivelatore del suo tipo mai costruito, utilizzando 70.000 tonnellate di argon liquido. Sia i rilevatori vicini che quelli lontani, come le loro controparti giapponesi, sono pieni di tecnologia avanzata. L'attuale prototipo è costituito da moduli che misurano uno per uno per tre metri, circa il 70% delle dimensioni della versione finale. Alla fine, il rilevatore vicino sarà composto da 35 di questi moduli. Il principio è lo stesso per tutti questi rivelatori: quando un neutrino di passaggio interagisce con un atomo nel liquido che riempie il rivelatore, produce particelle che eliminano gli elettroni negli atomi del liquido. Questi elettroni si spostano verso un polo positivo nel modulo e vengono letti dai sensori pixel. Ogni tipo di neutrino produce particelle che hanno una firma caratteristica e programmi di intelligenza artificiale aiutano a scovarli e separarli da altri segnali. "Grazie al design modulare, possiamo misurare le interazioni dei neutrini in modo molto preciso e ottenere immagini 3D reali delle tracce delle particelle cariche che passano attraverso il modulo", afferma Weber. "Alla fine, questo è ciò di cui si occupa la scienza: scattare foto 3D di fenomeni fisici per scoprire di più sul mondo".
La fisica dei neutrini non è nuova in Svizzera. Al CERN sono state ottenute alcune delle scoperte più rilevanti su come i neutrini interagiscono con la materia o sulla determinazione più precisa del numero di aromi di neutrini. Le università svizzere sono state coinvolte nella ricerca dell'oscillazione dei neutrini dal 2002, con contributi all'esperimento K2K in Giappone (il predecessore di T2K). Anche l'Università di Berna è stata coinvolta nell'esperimento OPERA, l'esperimento che ha osservato per la prima volta una transizione di un neutrino muonico in un neutrino tau. Ci sono stati anche contributi a esperimenti come gli esperimenti MINERvA e MicroBooNE negli Stati Uniti per aiutare a comprendere l'interazione dei neutrini con la materia.
Per gli esperimenti T2K e K2K, i ricercatori delle Università di Ginevra e Berna e dell'ETH-Zurigo hanno ottenuto il premio rivoluzionario 2015 in fisica fondamentale come membri della comunità che ha contribuito a stabilire le oscillazioni dei neutrini.
Inoltre, i gruppi delle Università di Zurigo e Neuchatel sono coinvolti nella ricerca dei rari decadimenti che potrebbero essere all'interno del meccanismo di generazione di massa dei neutrini. Ma questa è un'altra storia.
Tuttavia, il sogno più grande della comunità dei neutrini è trovare prove delle differenze tra il modo in cui si comportano i neutrini e gli antineutrini. Nel frattempo, stanno analizzando i loro dati dagli esperimenti in corso e stanno preparando i loro nuovi sistemi per la prossima grande cattura. Restate sintonizzati, le cose rimarranno interessanti nei prossimi anni!
Autrice: Barbara Warmbein per CHIPP
Contatto
Dr Angela Benelli
European Organization for Nuclear Research (CERN)
Esplanade des Particules 1
1217 Meyrin