Il modello standard di fisica delle particelle è una delle imprese più impressionanti della scienza. È uno sforzo rigoroso e preciso per comprendere e descrivere tre delle quattro forze fondamentali dell'Universo: la forza elettromagnetica, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. La gravità è assente perché finora, adattarlo al modello standard è stato estremamente impegnativo.
Ma ci sono alcuni buchi nel modello standard e uno di questi coinvolge la massa del neutrino.
L'esistenza del neutrino fu proposta per la prima volta nel 1930, poi rilevata nel 1956. Da allora, i fisici hanno appreso che esistono tre tipi di neutrini e sono abbondanti ed elusivi. Solo le strutture speciali possono rilevarle perché interagiscono raramente con altra materia. Ci sono diverse fonti per loro, e alcune di loro hanno sfrecciato nello spazio dal Big Bang, ma la maggior parte dei neutrini vicino alla Terra provengono dal Sole.
Il modello standard prevede che i neutrini non hanno massa, come i fotoni. Ma i fisici hanno scoperto che i tre tipi di neutrini possono trasformarsi l'uno nell'altro mentre si muovono. Secondo i fisici, dovrebbero essere in grado di farlo solo se hanno massa.
Ma quanta massa? Questa è una domanda che ha perseguitato i fisici delle particelle. E rispondere a questa domanda è parte di ciò che guida gli scienziati del KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
"Questi risultati della collaborazione KATRIN riducono la precedente gamma di massa del neutrino di un fattore due ..."
HAMISH ROBERTSON, SCIENTISTA DI KATRIN E PROFESSORE EMERITO DI FISICA DELL'UNIVERSITÀ DI WASHINGTON.
Un team di ricercatori ha fornito una parte di una risposta a questa domanda: la massa del neutrino non può essere maggiore di 1,1 elettronvolt (eV.) Questa è una riduzione del limite superiore della massa di un neutrino di quasi 1 eV; da 2 eV fino a 1.1 eV. Basandosi su precedenti esperimenti che hanno fissato il limite di massa inferiore a 0,02 eV, questi ricercatori hanno stabilito un nuovo intervallo per la massa del neutrino. Mostra che un neutrino ha meno di 1/500.000 di massa di un elettrone. Questo è un passo importante nell'avanzamento del modello standard.
"Conoscere la massa del neutrino consentirà agli scienziati di rispondere a domande fondamentali in cosmologia, astrofisica e fisica delle particelle ..."
Hamish Robertson, scienziato della KATRIN e professore emerito di fisica all'Università di Washington.
I ricercatori dietro questo lavoro provengono da 20 diversi istituti di ricerca in tutto il mondo. Stanno lavorando con KATRIN presso l'Istituto di tecnologia di Karlsruhe in Germania. La struttura KATRIN è dotata di uno spettrometro ad alta risoluzione da 10 metri che gli consente di misurare le energie degli elettroni con grande precisione.
Il team KATRIN ha presentato i loro risultati alla conferenza Topics in Astroparticle e Underground Physics del 2019 a Toyama, in Giappone, il 13 settembre.
"Conoscere la massa del neutrino consentirà agli scienziati di rispondere a domande fondamentali in cosmologia, astrofisica e fisica delle particelle, come come si è evoluto l'universo o quale fisica esiste oltre il modello standard", ha affermato Hamish Robertson, scienziato e professore emerito di KATRIN della fisica presso l'Università di Washington. "Questi risultati della collaborazione di KATRIN riducono la gamma di massa precedente per il neutrino di un fattore due, pongono criteri più rigorosi su ciò che è effettivamente la massa del neutrino e forniscono un percorso per misurare definitivamente il suo valore."
I neutrini sono notoriamente difficili da rilevare, anche se sono abbondanti. Solo i fotoni sono più abbondanti. Come dice il loro nome, sono elettricamente neutri. Questo rende il rilevamento estremamente difficile. Ci sono osservatori di neutrini affondati nel ghiaccio antartico e anche nelle miniere abbandonate. Spesso usano acqua pesante per invogliare i neutrini ad interagire. Quando un neutrino interagisce, produce la radiazione di Cherenkov che può essere misurata.
"Se riempissi il sistema solare di piombo oltre cinquanta volte oltre l'orbita di Plutone, circa la metà dei neutrini emessi dal sole lascerebbe comunque il sistema solare senza interagire con quel piombo", ha detto Robertson.
La storia del neutrino si è evoluta nel tempo con esperimenti come KATRIN. Inizialmente, il modello standard prevedeva che i neutrini non avessero massa. Ma nel 2001, due diversi rivelatori hanno mostrato che la loro massa è diversa da zero. Il premio Nobel per la fisica 2015 è stato assegnato a due scienziati che hanno dimostrato che i neutrini possono oscillare tra i tipi, dimostrando che hanno massa.
La struttura KATRIN misura indirettamente la massa di neutrini. Funziona monitorando il decadimento del trizio, che è una forma altamente radioattiva di idrogeno. Man mano che l'isotopo del trizio decade, emette coppie di particelle: un elettrone e un anti-neutrino. Insieme, condividono 18.560 eV di energia.
Nella maggior parte dei casi, la coppia di particelle condivide equamente i 18.560 eV. Ma in rari casi, l'elettrone esercita la maggior parte dell'energia, lasciando il neutrino con pochissimo. Questi rari casi sono focalizzati sugli scienziati.
A causa di E = mC2, la piccola quantità di energia rimasta per il neutrino in questi rari casi deve eguagliare la sua massa. Poiché KATRIN ha il potere di misurare accuratamente l'elettrone, è anche in grado di determinare la massa del neutrino.
"Risolvere la massa del neutrino ci porterebbe in un nuovo mondo coraggioso di creazione di un nuovo modello standard", ha affermato Peter Doe, professore di ricerca di fisica presso l'Università di Washington che lavora su KATRIN.
Questo nuovo modello standard menzionato da Doe potrebbe potenzialmente spiegare la materia oscura, che costituisce la maggior parte della materia nell'universo. Sforzi come KATRIN potrebbero un giorno rilevare un altro, quarto tipo di neutrino chiamato neutrino sterile. Finora questo quarto tipo è solo congettura, ma è un candidato per la materia oscura.
"I neutrini sono strane particelle piccole", ha detto Doe. "Sono così onnipresenti e c'è così tanto che possiamo imparare una volta determinato questo valore".
Mostrare che i neutrini hanno massa e limitare la gamma di quella massa sono entrambi importanti. Ma i fisici delle particelle non sanno ancora come guadagnare la loro massa. Probabilmente è diverso da come le altre particelle ottengono la loro.
Risultati come questo di KATRIN stanno aiutando a colmare un buco nel Modello Standard e nella nostra comprensione generale dell'Universo. L'Universo è pieno di antichi neutrini del Big Bang e ogni avanzamento nella massa del neutrino ci aiuta a capire come l'Universo si è formato e si è evoluto.
Di Più:
- Comunicato stampa: KATRIN dimezza la stima di massa del neutrino sfuggente
- Istituto di tecnologia di Karlsruhe: KATRIN
- CERN: il modello standard
- Symmetry Magazine: Five Mysteries che il modello standard non può spiegare
- Notizie dal MIT: 3Q: gli scienziati radono la stima della massa del neutrino a metà
