Neutrini: i “camaleonti fantasma” diventano ancora più misteriosi

I neutrini sono stati a lungo una delle particelle subatomiche conosciute più sconcertanti e misteriose, ma sono appena diventate più confuse, dopo che due gruppi di scienziati hanno annunciato risultati contraddittori.

I neutrini sono come camaleonti spettrali

Si dice spesso che i neutrini siano i fantasmi del mondo della fisica perché interagiscono così poco con la materia, passando facilmente attraverso interi pianeti. Ma sono anche camaleonti quantistici, che cambiano la loro identità, essenzialmente come se una Chevrolet potesse trasformarsi in una Ford, poi trasformarsi in una Chrysler, prima di tornare all’auto originale. I tre tipi distinti di neutrini sono chiamati neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tau.

Questo switcheroo subatomico, chiamato oscillazione del neutrino, è unico in natura. Ed è stato osservato in molti contesti diversi, compresi i neutrini generati dai reattori nucleari, dai fasci di particelle ad alta energia e quando i raggi cosmici dallo spazio colpiscono l’atmosfera terrestre.

Un neutrino nell’unguento

La principale teoria della fisica subatomica, nota come Modello Standard, tiene conto dell’oscillazione dei neutrini e stabilisce una serie di parametri universali che governano la velocità con cui i vari tipi di neutrini possono trasformarsi l’uno nell’altro. Gli esperimenti sui neutrini possono quindi determinare il valore effettivo dei parametri. Supponendo che la teoria sia corretta e che gli esperimenti siano accurati, tutti gli esperimenti dovrebbero determinare gli stessi valori per quei parametri. In effetti, è così che ha funzionato per molti esperimenti.

Tuttavia, negli anni ’90, il Liquid Scintillator Neutrino Experiment (LSND), situato presso il Los Alamos National Laboratory nel New Mexico, ha trovato una mosca nell’unguento. L’LSND ha utilizzato un fascio di neutrini muonici per cercare i casi in cui si erano trasformati in neutrini elettronici. Come previsto, gli scienziati hanno osservato i neutrini elettronici, ma a una velocità difficile da conciliare con la teoria consolidata.

È interessante notare che loro Potevo riconciliare la loro misurazione con tutte le altre misurazioni se esistesse un quarto (ancora sconosciuto) tipo di neutrino. Questo tipo di neutrino sarebbe diverso da tutti gli altri neutrini. I neutrini conosciuti interagiscono attraverso la debole forza nucleare, mentre il quarto tipo no. A causa di questa non interazione, gli scienziati hanno iniziato a chiamare questo ipotetico quarto tipo di neutrini “neutrini sterili”.

L’esistenza o la non esistenza di neutrini sterili è stata oggetto di un acceso dibattito tra i fisici delle particelle, con la maggior parte degli esperimenti che sembrava escludere l’esistenza di un quarto neutrino, mentre alcuni sostenevano la congettura. Ma c’era sempre l’elefante LSND nella stanza.

La confusione alla frontiera della ricerca sui neutrini

Allora, qual è la risposta? Ci sono due possibilità. Il primo, e meno eccitante, è che il risultato LSND era semplicemente sbagliato. Ciò non implica alcuna inettitudine da parte degli sperimentatori. A volte accadono cose rare, a volte le cose vengono trascurate o modellate in modo errato. In quello che potrebbe essere un eufemismo epico, la scienza alla frontiera è dura. D’altra parte, se il disaccordo tra le previsioni ei vari esperimenti sorge perché la teoria attuale è incompleta, allora gli scienziati dovranno sviluppare una nuova teoria. Ovviamente, questo è più eccitante e i neutrini sterili sono semplicemente la possibilità più popolare.

Per stabilire se il risultato dell’LSND sia il primo presagio di nuova fisica, o solo uno sfortunato colpo di fortuna, è necessario replicare l’esperimento per vedere se il secondo esperimento conferma o meno l’LSND. A tal fine, è stato progettato ed eseguito l’esperimento MiniBooNE al Fermilab nell’Illinois. Come LSND, anche MiniBooNE utilizzava un fascio di neutrini muonici, alla ricerca di un inspiegabile eccesso di neutrini elettronici. Inoltre, MiniBooNE è stato un esperimento più nuovo e moderno, con capacità migliorate. Se l’osservazione LSND fosse corretta, MiniBooNE lo avrebbe confermato. Tuttavia, non era così. MiniBooNE non ha visto lo stesso eccesso di LSND.

Iscriviti per ricevere storie controintuitive, sorprendenti e di grande impatto nella tua casella di posta ogni giovedì

Di solito, questa sarebbe la fine della storia, con la misurazione LSND che viene considerata come una preliminare che si è rivelata errata. Questa conclusione confortante significherebbe che l’attuale quadro teorico era sufficiente e gli scienziati potrebbero essere contenti di aver compreso le interazioni dei neutrini. Ma la storia della ricerca sui neutrini è piena di sorprese e raramente è senza un mistero o due.

Mentre MiniBooNE ha escluso l’osservazione LSND, il nuovo esperimento ha scoperto un’anomalia diversa. Grazie alle capacità potenziate dell’esperimento MiniBooNE, potrebbero cercare i neutrini in più modi di quanto potrebbe fare LSND. Quando MiniBooNE ha cercato neutrini elettronici in un intervallo di energia non esplorato da LSND, hanno trovato più neutrini elettronici di quanto la teoria accettata potesse spiegare. E, come l’anomalia LSND precedente, la nuova anomalia MiniBooNE potrebbe essere spiegata dall’esistenza di un neutrino sterile (o forse più di uno). Sebbene fosse diverso dal neutrino sterile proposto per spiegare l’anomalia LSND, era comunque sterile.

Dato che le anomalie sono spesso il primo segno di scoperte, i ricercatori non potevano semplicemente arrendersi. Era imperativo che a Terzo esperimento da fare, si spera che possa determinare definitivamente se la teoria attuale, con i suoi tre tipi noti di neutrini, è sufficiente o meno.

Pertanto, è stato creato l’esperimento MicroBooNE. Questo esperimento utilizza una tecnologia di rilevamento molto più sofisticata e dovrebbe fornire la parola definitiva sull’anomalia MiniBooNE. Inoltre, c’era una scappatoia rimanente nel confronto LSND/MiniBooNE: utilizzavano diversi fasci di neutrini. Forse c’erano sottili differenze nei raggi che non erano state adeguatamente considerate. Ma nel confronto tra le misurazioni MicroBooNE e MiniBooNE, non ci sarebbe nulla di tutto ciò. I due esperimenti hanno utilizzato la stessa identica linea del fascio, semplificando i confronti tra i due esperimenti. MicroBooNE dovrebbe essere un controllo definitivo su MiniBooNE.

Un mistero irrisolto

Come finisce tutto? MicroBooNE non rileva lo stesso eccesso rilevato da MiniBooNE. Tuttavia, il documento MicroBooNE non conclude che MiniBooNE si sbagliasse; dice semplicemente che l’anomalia MiniBooNE rimane inspiegabile. Ciò non sorprende, dato che i due esperimenti sono eseguiti da molti degli stessi scienziati.

Ad oggi, la situazione rimane irrisolta: uno stato di cose insoddisfacente, certo, ma questo è spesso il caso della ricerca scientifica di frontiera, dove più il mistero è confuso, più è interessante per i ricercatori. E i neutrini creano sempre confusione.

Una possibilità è che l’anomalia MiniBooNE non sia causata da neutrini sterili, ma da altre possibili forme di nuova fisica, inclusa la materia oscura. Solo misurazioni migliori e più precise, entrambe in corso al Fermilab, sveleranno il mistero.

Leave a Comment