I neutrini sono forse la più sconcertante delle particelle conosciute. Hanno semplicemente infranto tutte le regole conosciute su come le particelle dovrebbero comportarsi. Si fanno beffe dei nostri fantasiosi rivelatori. Come i gatti cosmici, intrappolano l'universo senza preoccupazioni o preoccupazioni, interagendo occasionalmente con il resto di noi, ma in realtà solo quando ne hanno voglia, che onestamente non è poi così spesso.
Più frustrante di tutti, indossano maschere e non hanno mai lo stesso aspetto due volte.
Ma un nuovo esperimento potrebbe averci fatto solo un passo avanti per strappare quelle maschere. Rivelare la vera identità dei neutrini potrebbe aiutare a rispondere a domande di lunga data, come se i neutrini siano i loro partner antimateria, e potrebbe anche aiutare a unificare le forze della natura in un'unica teoria coesiva.
Un grosso problema
I neutrini sono strani. Ne esistono di tre tipi: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tau. (Esistono anche le versioni antiparticelle di quei tre, ma questa non è una grande parte di questa storia.) Sono così chiamati perché questi tre tipi arrivano a far festa con tre diversi tipi di particelle. I neutrini elettronici uniscono le interazioni che coinvolgono elettroni. I neutrini dei muoni vengono accoppiati ai muoni. Non verranno assegnati punti per indovinare con cosa interagisce il neutrino tau.
Finora, non è affatto strano. Ecco che arriva la parte strana.
Per le particelle che lo sono non neutrini - come elettroni, muoni e particelle di tau - ciò che vedi è ciò che ottieni. Quelle particelle sono esattamente le stesse tranne che per le loro masse. Se si individua una particella con la massa di un elettrone, si comporterà esattamente come dovrebbe comportarsi un elettrone, e lo stesso vale per il muone e il tau. Inoltre, una volta individuato un elettrone, sarà sempre un elettrone. Niente di più, niente di meno. Lo stesso per il muone e il tau.
Lo stesso non vale per i loro cugini, i neutrini dell'elettrone, del muone e del tau.
Quello che chiamiamo, diciamo, "neutrino tau" non è sempre il neutrino tau. Può cambiare la sua identità. Può diventare, a metà volo, un neutrino elettronico o muonico.
Questo strano fenomeno che praticamente nessuno si aspettava si chiama oscillazione del neutrino. Significa, tra le altre cose, che puoi creare un neutrino elettronico e inviarlo come regalo al tuo migliore amico. Ma quando lo ottengono, possono essere delusi nel trovare invece un neutrino tau.
Un'altalena
Per motivi tecnici, l'oscillazione dei neutrini funziona solo se ci sono tre neutrini con tre masse diverse. Ma i neutrini che oscillano non sono neutrini aromatizzati con elettroni, muoni e tau.
Invece, ci sono tre neutrini "veri", ciascuno con masse diverse, ma sconosciute. Un mix distinto di questi neutrini veri e fondamentali crea ciascuno dei sapori di neutrini che rileviamo nei nostri laboratori (elettrone, muone, tau). Quindi, la massa misurata in laboratorio è una miscela di quelle vere masse di neutrini. Nel frattempo, la massa di ciascun vero neutrino nel mix governa la frequenza con cui si trasforma in ciascuno dei diversi sapori.
Il compito dei fisici ora è di districare tutte le relazioni: quali sono le masse di quei veri neutrini e come si mescolano per creare i tre sapori?
Quindi, i fisici sono a caccia per scoprire le masse dei "veri" neutrini osservando quando e con quale frequenza cambiano sapore. Ancora una volta, il gergo fisico non è molto utile quando lo spiega, poiché i nomi di questi tre neutrini sono semplicemente m1, m2 e m3.
Una varietà di esperimenti scrupolosi ha insegnato agli scienziati alcune cose sulle masse dei veri neutrini, almeno indirettamente. Ad esempio, conosciamo alcune delle relazioni tra il quadrato delle masse. Ma non sappiamo esattamente quanto pesa nessuno dei veri neutrini e non sappiamo quali siano più pesanti.
È possibile che m3 sia il m2 e il m1 più pesanti e di gran lunga superiori. Questo si chiama "ordinamento normale" perché sembra abbastanza normale - ed è essenzialmente il fisico ordinatore a indovinare decenni fa. Ma in base al nostro attuale stato di conoscenza, potrebbe anche essere che m2 sia il neutrino più pesante, con m1 non molto indietro e m3 puny in confronto. Questo scenario è chiamato "ordine invertito" perché significa che inizialmente abbiamo indovinato l'ordine sbagliato.
Certo, ci sono campi di teorici che si lamentano che ciascuno di questi scenari sia vero. Le teorie che tentano di unificare tutte (o almeno la maggior parte) delle forze della natura sotto un unico tetto richiedono tipicamente un normale ordinamento di massa di neutrini. D'altra parte, l'ordinamento a massa inversa è necessario affinché il neutrino sia il suo gemello antiparticella. E se fosse vero, potrebbe aiutare a spiegare perché c'è più materia dell'antimateria nell'universo.
Allenamento DeepCore
Che cos'è: normale o invertito? Questa è una delle domande più importanti che sono sorte negli ultimi due decenni di ricerca sui neutrini, ed è esattamente il tipo di domanda a cui il massiccio Osservatorio del Neutrino IceCube è stato progettato per rispondere. Situato al Polo Sud, l'osservatorio è costituito da dozzine di stringhe di rivelatori affondate nella calotta antartica, con un "DeepCore" centrale di otto stringhe di rivelatori più efficienti in grado di vedere interazioni a bassa energia.
I neutrini parlano a malapena della materia normale, quindi sono perfettamente in grado di gettare direttamente attraverso il corpo della Terra stessa. E mentre lo fanno, si trasformeranno nei vari sapori. Di tanto in tanto, colpiscono una molecola nella calotta antartica vicino al rivelatore IceCube, innescando una cascata di particelle che emettono una luce blu sorprendentemente chiamata radiazione Cherenkov. È questa luce rilevata dalle stringhe IceCube.
In un recente articolo pubblicato sulla rivista prestampata arXiv, gli scienziati di IceCube hanno usato tre anni di dati DeepCore per misurare quanti di ogni tipo di neutrino sono passati attraverso la Terra. I progressi sono lenti, ovviamente, perché i neutrini sono così difficili da catturare. Ma in questo lavoro. gli scienziati segnalano una leggera preferenza nei dati per il normale ordinamento (il che significherebbe che abbiamo indovinato proprio decenni fa). Tuttavia, non hanno ancora trovato nulla di troppo conclusivo.
È tutto ciò che avremo? Certamente no. IceCube si sta preparando per un importante aggiornamento presto e nuovi esperimenti come il Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) e Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) si stanno preparando per affrontare anche questa questione centrale. Chi sapeva che una domanda così semplice sull'ordinamento delle masse di neutrini avrebbe rivelato così tanto il modo in cui l'universo funziona? È un peccato che non sia una domanda facile.
Paul M. Sutter è un astrofisico a La Ohio State University, ospite di "Chiedi a un astronauta" e "Space Radio, "e autore di"Il tuo posto nell'universo."
