I neutrini sono una delle particelle fondamentali che compongono l'Universo. Rispetto ad altri tipi di particelle, hanno pochissima massa, nessuna carica e interagiscono con gli altri solo attraverso la forza nucleare e la gravità deboli. In quanto tale, trovare prove delle interazioni degli eredi è estremamente difficile, che richiede strumenti enormi situati nel sottosuolo per proteggerli da qualsiasi interferenza.
Tuttavia, usando Spallation Neutron Source (SNS), una struttura di ricerca situata presso il Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - un team internazionale di ricercatori ha recentemente fatto una scoperta storica sui neutrini usando un metodo completamente diverso. Nell'ambito dell'esperimento COHERENT, questi risultati confermano una previsione fatta 43 anni fa e offrono nuove possibilità per la ricerca sui neutrini.
Lo studio che descrive in dettaglio le loro scoperte, intitolato "Osservazione della dispersione elastica dei neutrini-nuclei elastici", è stato recentemente pubblicato sulla rivista Scienza. La ricerca è stata condotta nell'ambito dell'esperimento COHERENT, una collaborazione di 80 ricercatori provenienti da 19 istituzioni di più di 4 nazioni che è alla ricerca di ciò che è noto come Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) da oltre un anno.
Nel trovare prove di questo comportamento, COHERENT ha essenzialmente fatto la storia. Come ha dichiarato Jason Newby, fisico ORNL e coordinatore tecnico di COHERENT, in una nota stampa ORNL:
"L'esperimento di fisica delle particelle unico nel suo genere presso il Oak Ridge National Laboratory è stato il primo a misurare lo scattering coerente di neutrini a bassa energia dai nuclei".
Per scomporre tutto, il Modello Standard della fisica delle particelle indica che i neutrini sono leptoni, una particella che interagisce con l'altra materia molto debolmente. Sono creati attraverso il decadimento radioattivo, le reazioni nucleari che alimentano le stelle e dalle supernovae. Il modello cosmologico del Big Bang prevede anche che i neutrini siano le particelle più abbondanti esistenti, dal momento che sono un sottoprodotto della creazione dell'Universo.
In quanto tale, il loro studio è stato un importante punto focale per fisici teorici e cosmologi. In studi precedenti, le interazioni dei neutrini erano state rilevate usando letteralmente tonnellate di materiale target e quindi esaminando le trasformazioni di particelle risultanti dai neutrini che le colpivano.
Esempi includono l'Osservatorio Super-Kamiokande in Giappone, una struttura sotterranea in cui il materiale di destinazione è 50.000 tonnellate di acqua ultrapura. Nel caso del Sudbury Neutrino Observatory di SNOLAB - che si trova in un ex complesso minerario vicino a Sudbury, in Ontario - il rivelatore di neutrini SNO si basa sull'acqua pesante per il rilevamento dei neutrini mentre l'esperimento SNO + utilizzerà uno scintillatore liquido.
E l'IceCube Neutrino Observatory - il più grande rivelatore di neutrini al mondo, situato presso la stazione del polo sud di Amundsen – Scott in Antartide - si affida al ghiaccio antartico per rilevare le interazioni dei neutrini. In tutti i casi, le strutture sono estremamente isolate e si basano su attrezzature molto costose.
L'esperimento COHERENT, tuttavia, è immensamente più piccolo e più economico in confronto, pesa solo 14,5 kg (32 libbre) e occupa molto meno in termini di spazio. L'esperimento è stato creato per sfruttare l'attuale sistema basato sull'acceleratore SNS, che produce i fasci di neutroni pulsati più intensi al mondo al fine di distruggere gli atomi di mercurio con fasci di protoni.
Questo processo crea enormi quantità di neutroni che vengono utilizzati per vari esperimenti scientifici. Tuttavia, il processo crea anche una quantità significativa di neutrini come sottoprodotto. Per trarne vantaggio, il team di COHERENT ha iniziato a sviluppare un esperimento sui neutrini noto come "vicolo dei neutrini". Situato in un corridoio del seminterrato a soli 20 metri (45 piedi) dal serbatoio di mercurio, gli spessi muri di cemento e la ghiaia forniscono una protezione naturale.
Il corridoio è inoltre dotato di grandi serbatoi d'acqua per bloccare ulteriori neutrini, raggi cosmici e altre particelle. Ma a differenza di altri esperimenti, i rivelatori COHERENT cercano segni di neutrini che si urtano contro i nuclei di altri atomi. Per fare questo, il team ha dotato il corridoio di rivelatori che si basano su un cristallo scintillatore di ioduro di cesio, che utilizza anche odio per aumentare la prominenza dei segnali luminosi causati dalle interazioni dei neutrini.
Juan Collar, un fisico dell'Università di Chicago, ha guidato il team di progettazione che ha creato il rivelatore utilizzato presso SNS. Come ha spiegato, si è trattato di un approccio "alle origini" che ha eliminato i rivelatori più costosi e voluminosi:
"Sono probabilmente il tipo di rilevatore di radiazioni più pedonale disponibile, in circolazione da un secolo. Lo ioduro di cesio drogato con sodio unisce tutte le proprietà necessarie per funzionare come un piccolo rilevatore di neutrini "palmare". Molto spesso, meno è di più. "
Grazie al loro esperimento e alla raffinatezza della SNS, i ricercatori sono stati in grado di determinare che i neutrini sono in grado di accoppiarsi ai quark attraverso lo scambio di bosoni Z neutri. Questo processo, noto come Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), è stato previsto per la prima volta nel 1973. Ma fino ad ora, nessun esperimento o gruppo di ricerca è stato in grado di confermarlo.
Come indicato da Jason Newby, l'esperimento è riuscito in gran parte grazie alla raffinatezza della struttura esistente. "L'energia dei neutrini SNS è quasi perfettamente sintonizzata per questo esperimento: abbastanza grande da creare un segnale rilevabile, ma abbastanza piccola da sfruttare la condizione di coerenza", ha detto. "L'unica pistola fumante dell'interazione è una piccola quantità di energia impartita a un singolo nucleo."
I dati che ha prodotto erano anche più puliti rispetto ai precedenti esperimenti, poiché anche i neutrini (come il fascio di neutroni SNS che li produceva) erano pulsati. Ciò ha consentito di separare facilmente il segnale dai segnali di fondo, offrendo un vantaggio rispetto alle fonti di neutrini allo stato stazionario, come quelle prodotte dai reattori nucleari.
Il team ha anche rilevato tre "sapori" di neutrini, tra cui neutrini muonici, antineutrini muonici e neutrini elettronici. Mentre i neutrini muonici sono emersi istantaneamente, gli altri sono stati rilevati pochi microsecondi dopo. Da questo, il team COHERENT non solo ha convalidato la teoria del CEvNS, ma anche il Modello standard della fisica delle particelle. Le loro scoperte hanno anche implicazioni per l'astrofisica e la cosmologia.
Come ha spiegato Kate Scholberg, un fisico della Duke University e portavoce di COHERENT:
“Quando una stella massiccia collassa e poi esplode, i neutrini scaricano una grande energia nell'involucro stellare. Comprendere il processo alimenta la comprensione di come si verificano questi eventi drammatici ... I dati di COHERENT aiuteranno a interpretare le misurazioni delle proprietà del neutrino mediante esperimenti in tutto il mondo. Potremmo anche essere in grado di utilizzare lo scattering coerente per comprendere meglio la struttura del nucleo. "
Sebbene non sia necessaria un'ulteriore conferma dei loro risultati, i ricercatori di COHERENT intendono condurre misurazioni aggiuntive al fine di osservare interazioni coerenti con i neutrini a velocità distinte (un'altra firma del processo). Da ciò, sperano di espandere la loro conoscenza della natura di CEvNS, così come altre proprietà di base del neutrino - come il loro magnetismo intrinseco.
Questa scoperta fu certamente impressionante di per sé, dato che convalida un aspetto sia del Modello Standard della fisica delle particelle che della cosmologia del Big Bang. Ma il fatto che il metodo offra risultati più puliti e si basi su strumenti significativamente più piccoli e meno costosi di altri esperimenti - è davvero impressionante!
Le implicazioni di questa ricerca saranno sicuramente di vasta portata e sarà interessante vedere quali altre scoperte consentirà in futuro!
