Questo nuovo neutrino è la chiave per trovare la materia oscura?

Ogni secondo, 100 trilioni di piccole particelle fantasmatiche chiamate neutrini passano attraverso il tuo corpo. Quasi tutti sparano attraverso la tua pelle senza interagire affatto. La loro timidezza rende queste particelle particolarmente scrupolose da rilevare per i fisici.

Ma negli ultimi decenni, il mondo della fisica dei neutrini ha affrontato una nuova sfida.

Da un esperimento condotto nelle profondità delle montagne del Caucaso in Russia, i fisici hanno trovato ulteriori prove – pubblicate il 9 giugno in due articoli – che un pezzo dell’attuale teoria dei neutrini è fuori luogo. Se hanno ragione, potrebbe svelare un tipo di neutrino mai visto prima che potrebbe volare ancora di più sotto il radar e potrebbe spiegare perché non possiamo vedere la materia oscura che costituisce gran parte del nostro universo.

“Probabilmente è, nella mia mente, uno dei risultati più importanti nella fisica dei neutrini, almeno negli ultimi cinque anni”, afferma Ben Jones, fisico dei neutrini presso l’Università del Texas ad Arlington, che non è stato coinvolto nell’esperimento.

Nell’esperimento di Los Alamos, un insieme di 26 dischi irradiati di cromo 51 fornisce la fonte di neutrini elettronici che reagiscono con il gallio e producono germanio 71 a velocità che possono essere misurate rispetto alle velocità previste. AA Shikhin

Il caso dei neutrini che si comportano male

Come le creature di un piano etereo, i neutrini reagiscono con parsimonia con il loro ambiente materiale. Con zero carica elettrica, non sono suscettibili all’elettromagnetismo. Né sono coinvolti nell’interazione nucleare forte, che aiuta a legare insieme le particelle nel cuore degli atomi.

Ma i neutrini svolgono un ruolo nella debole forza nucleare che, secondo il Modello Standard, la struttura teorica che costituisce la base della moderna fisica delle particelle, è responsabile di alcuni tipi di radioattività.

La stragrande maggioranza dei neutrini che osserviamo sulla Terra nasce da processi radioattivi nel sole. Per osservarli, gli scienziati si affidano a osservatori di neutrini sotto il mare o sepolti in profondità sotto la crosta del pianeta. Non è spesso facile dire se i rivelatori di neutrini funzionano correttamente, quindi i fisici possono calibrare le loro apparecchiature posizionando alcuni isotopi, come il cromo-51, di cui conoscono bene le emissioni di neutrini, nelle vicinanze.

Tuttavia, quando la fisica dei neutrini ha guadagnato slancio negli anni ’90, i ricercatori hanno notato qualcosa di strano. In alcuni esperimenti, quando hanno calibrato i loro rivelatori, hanno iniziato a trovare meno neutrini di quanti ne spiegassero la fisica teorica delle particelle.

Ad esempio, nel 1997 al Los Alamos National Lab nel New Mexico, scienziati statunitensi e russi hanno allestito una vasca piena di gallio, un metallo liquido in una calda giornata estiva. Quando i neutrini hanno colpito il gallio, gli atomi dell’elemento hanno assorbito le particelle. Questo processo ha trasformato il gallio in un metallo più solido, il germanio, una sorta di decadimento radioattivo invertito. I fisici hanno misurato quel germanio per tracciare quanti neutrini sono passati attraverso la vasca.

Ma quando il team di Los Alamos ha testato il proprio sistema con il cromo-51, ha trovato troppo gallio e, in altre parole, troppo pochi neutrini. Questo deficit divenne noto come “anomalia del gallio”.

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Da allora, gli esperti che studiano attentamente l’anomalia del gallio hanno esplorato una spiegazione provvisoria. I fisici delle particelle sanno che i neutrini sono disponibili in tre “sapori”: neutrini elettronici, neutrini muonici e neutrini tau, ciascuno dei quali gioca ruoli diversi nella danza del mondo quantistico. In determinate circostanze, è possibile osservare il passaggio dei neutrini tra i sapori. Questi spostamenti sono chiamati “oscillazioni dei neutrini”.

Ciò ha portato a una possibilità interessante: i neutrini mancavano nell’anomalia del gallio perché stavano saltando in un altro sapore nascosto, ancora meno reattivo al mondo fisico. I fisici hanno inventato un nome per la categoria: neutrini sterili.

La storia del neutrino sterile era solo un’idea, ma ha trovato supporto. Più o meno nello stesso periodo, i fisici in luoghi come Los Alamos e Fermilab nella periferia di Chicago avevano iniziato a osservare direttamente le oscillazioni dei neutrini. Quando lo hanno fatto, hanno riscontrato discrepanze nel numero di neutrini di ciascun sapore che si aspettavano di apparire e quanti effettivamente apparivano.

“O alcuni degli esperimenti sono sbagliati”, dice Jones, “o sta succedendo qualcosa di più interessante e strano che ha una firma diversa”.

Macchinari sterili per il rilevamento di neutrini in una grande stanza sotterranea in Russia
La configurazione principale dell’esperimento Baksan sulle transizioni sterili. VN Gavrin/MIGLIOR

Alla ricerca di firme sterili

Allora come sarebbe quel neutrino sterile? Il nome “sterile” e il fatto che i fisici non li abbiano rilevati attraverso i canali normali, indicano che questa classe di particelle assorbe anche dalla debole forza nucleare. Ciò lascia solo un modo in cui possono interagire con il loro ambiente: la gravità.

Alle scale subatomiche che i neutrini chiamano casa, aggravate dalle loro masse minuscole, la gravità è estremamente debole. I neutrini sterili sarebbero straordinariamente difficili da rilevare.

Ciò è rimasto valido fino al 21° secolo, poiché le anomalie erano troppo incoerenti perché i fisici potessero dire se corrispondessero a neutrini sterili. Alcuni esperimenti hanno riscontrato anomalie; altri semplicemente no. La somma degli esperimenti sembrava dipingere un murale di prove circostanziali. “Penso che sia così che molte persone l’hanno visto”, afferma Jones. “Ecco come l’ho visto.”

Quindi, i fisici hanno creato un intero nuovo osservatorio per testare l’anomalia del gallio di Los Alamos. Lo chiamarono Baksan Experiment on Sterile Transitions, o, nell’orgogliosa tradizione fisica degli acronimi forzati, BEST.

L’osservatorio si trova in un tunnel sepolto a più di un miglio sotto il fiume Baksan nella repubblica russa di Kabardino-Balkaria, attraverso le montagne del paese della Georgia. Lì, prima che l’invasione russa dell’Ucraina gettasse nel caos la comunità scientifica locale, un team internazionale di fisici delle particelle ha ricreato l’esperimento del gallio di Los Alamos, cercando specificamente i neutrini mancanti.

BEST ha riscontrato di nuovo l’anomalia rilevando dal 20 al 25% in meno di germanio del previsto. “Questo conferma definitivamente l’anomalia che abbiamo visto in esperimenti precedenti”, ha affermato Steve Elliot, fisico delle particelle presso il Los Alamos National Laboratory e collaboratore dell’esperimento BEST, in una dichiarazione all’inizio di giugno. “Ma cosa significhi questo non è ovvio.”

Nonostante il risultato soddisfacente, i fisici non vanno avanti con se stessi. BEST è solo un esperimento e non spiega tutte le discrepanze che siano mai state attribuite ai neutrini sterili. (Altre analisi hanno sostenuto che il risultato del Fermilab non poteva essere il segno di neutrini sterili, sebbene non offrissero una spiegazione alternativa.)

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Ma se gli scienziati dovessero trovare prove simili in altri scenari, ad esempio nell’esperimento sui neutrini IceCube, sepolto sotto le lastre antartiche, o in altri rivelatori appositamente progettati per la caccia ai neutrini sterili, ciò fornirebbe prove reali e convincenti che qualcosa è là fuori.

Se il risultato MIGLIORE vale, ed è confermato da altri esperimenti, ciò non significa che i neutrini sterili siano responsabili dell’anomalia. Altre particelle sconosciute potrebbero essere in gioco, o l’intera discrepanza potrebbe essere l’impronta digitale di qualche processo strano e sconosciuto. Se l’idea del neutrino sterile fosse vera, tuttavia, violerebbe la teoria più grande dietro alcuni degli oggetti più piccoli del mondo.

“Sarebbe una prova reale, non solo della fisica al di là del modello standard, ma di una fisica veramente nuova e non compresa”, afferma Jones.

In poche parole, se esistono neutrini sterili, le implicazioni andrebbero ben oltre la fisica delle particelle. I neutrini sterili potrebbero costituire gran parte della materia oscura del nostro universo, che contiene sei volte più materia che possiamo vedere e di cui ancora non comprendiamo la composizione.

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