FermiLab: nessuna traccia del neutrino sterile

I risultati dell'esperimento MicroBooNE presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti escludono l'esistenza di una particella teorica nota come neutrino sterile

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FermiLab: nessuna traccia del neutrino sterile
FermiLab: nessuna traccia del neutrino sterile

I risultati dell’esperimento MicroBooNE presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti escludono l’esistenza di una particella teorica nota come neutrino sterile.

In base a quanto scoperto finora, non esiste nulla di simile.

Per più di due decenni, questa teoria di un quarto neutrino è rimasta una promettente spiegazione per le anomalie osservate in precedenti esperimenti di fisica. Trovare una nuova particella sarebbe una scoperta importante e un cambiamento radicale nella nostra comprensione dell’universo. E anche un probabile premio Nobel. Ma pare che non sarà così.

Tra gli scienziati che fanno parte della collaborazione internazionale, multi-universitario e multi-agenzia MicroBooNE c’è Camillo Mariani, professore nel Dipartimento di Fisica, parte del Virginia Tech College of Science. Ha lavorato al progetto fin dal suo inizio, a partire dal 2012.

I risultati più recenti sono molto importanti per la comunità che studia i neutrini, per due aspetti principali. Sono i primi grandi risultati di fisica che escono da una camera di proiezione del tempo di argon liquido (TPC). Il TPC di argon liquido è sempre stato molto promettente in termini di tecnologia ma non ha mai prodotto grandi risultati in fisica. Il secondo è ovviamente che ora comprendiamo meglio la natura“, ha detto Mariani, che è anche membro del Center for Neutrino Physics presso la Virginia Tech e direttore della Kimballton Underground Research Facility nella contea di Giles.



Gli scienziati non trovano traccia di neutrino sterile
L’esperimento internazionale MicroBooNE utilizza un rivelatore da 170 tonnellate posto nel fascio di neutrini del Fermilab. L’esperimento studia le interazioni dei neutrini e non ha trovato traccia di un quarto neutrino teorizzato chiamato neutrino sterile. Credito: Reidar Hahn, Fermilab.

I risultati dello studio sono in linea con il modello standard della fisica delle particelle, la migliore teoria degli scienziati sul funzionamento dell’universo. I dati sono coerenti con ciò che prevede il Modello Standard: tre tipi di neutrini, né più né meno. I neutrini sono di tre tipi noti: elettrone, muone e neutrino tau, e possono passare da un sapore all’altro in un modo particolare mentre viaggiano.

Per molti anni abbiamo studiato la possibilità dell’esistenza del neutrino sterile, un quarto tipo di neutrino, una nuova particella non prevista nel modello standard della fisica delle particelle“, ha aggiunto Mariani. “L’esperimento MiniBooNE all’inizio del 2010 ha mostrato un’anomalia, che si potrebbe forse spiegare con l’esistenza di un neutrino sterile. Facevo parte di questa collaborazione e autore di uno dei documenti più recenti di MiniBooNE. Con il progresso tecnologico e dettagliato offerto dalla camera di proiezione ad argon liquido, MicroBooNE è stato in grado di sfavorire l’interpretazione dell’eccesso di bassa energia del MiniBooNE come dovuto al neutrino sterile. È un po’ triste vedere svanire la possibilità di scoprire un’altra particella, ma noi avanziamo la nostra conoscenza della natura e questo è un aspetto molto importante della cosa“.

MicroBooNE è un rilevatore di neutrini da 170 tonnellate delle dimensioni di uno scuolabus gestito dal Fermi National Accelerator Laboratory vicino a Chicago dal 2015. L’esperimento internazionale conta quasi 200 collaboratori provenienti da 36 istituzioni in cinque paesi. Al FermiLab hanno usato la tecnologia per registrare immagini 3D spettacolarmente precise di eventi di neutrini ed esaminare in dettaglio le interazioni delle particelle: una sonda necessaria nel mondo subatomico, secondo FermiLab.

Il rilevatore MicroBooNE utilizza speciali sensori di luce e più di 8.000 cavi accuratamente collegati per catturare tracce di particelle. È alloggiato in un contenitore cilindrico lungo 12,5 metri riempito con 170 tonnellate di argon liquido puro. I neutrini si imbattono nel liquido denso e trasparente, rilasciando particelle aggiuntive che l’elettronica può registrare. Le immagini risultanti mostrano percorsi dettagliati delle particelle e, soprattutto, distinguono gli elettroni dai fotoni.

Gli scienziati non trovano traccia di neutrino sterile
L’avanzata tecnologia ad argon liquido di MicroBooNE consente ai ricercatori di acquisire immagini dettagliate delle tracce di particelle. Questo evento di neutrini elettronici mostra uno sciame di elettroni e una traccia di protoni. Credito: collaborazione MicroBooNE.

A partire dal 2012 con il suo arrivo a Blacksburg, Mariani e diversi ricercatori post-dottorato hanno partecipato alla costruzione, all’assemblaggio e alla messa in servizio del rivelatore MicroBooNE.

Avevamo la responsabilità del sistema online che monitora la qualità dei dati in uscita dal rilevatore e abbiamo svolto alcuni lavori preliminari sul rilevatore con studenti universitari che hanno costruito un mini-rilevatore e lo hanno portato al Fermilab nel 2014. Il rilevatore è stato utilizzato per identificare i muoni attraversano il volume del rivelatore principale“, ha detto Mariani.

I neutrini sono una delle particelle fondamentali in natura. Sono neutri, incredibilmente piccoli e la particella più abbondante con massa nel nostro universo, anche se raramente interagiscono con altra materia. Sono anche particolarmente intriganti per i fisici, i quali si pongono una serie di domande per ora senza risposta. Questi enigmi includono il motivo per cui le loro masse sono così incredibilmente piccole e se sono responsabili del dominio della materia sull’antimateria nel nostro universo. Ciò rende i neutrini una finestra unica per esplorare come funziona l’universo alle scale più piccole, afferma il Fermilab in un comunicato stampa.

Ora che sembra esclusa l’esistenza del neutrino sterile come spiegazione per le anomalie individuate nei dati sui neutrini, gli scienziati stanno studiando altre possibilità. Tra queste, cose intriganti come la luce creata da altri processi durante le collisioni di neutrini o esotiche come la teorizzata materia oscura.

Gli scienziati non trovano traccia di neutrino sterile
I lavoratori installano un componente del rivelatore di precisione di MicroBooNE (chiamato camera di proiezione temporale) nel contenitore cilindrico o criostato. Credito: Reidar Hahn, Fermilab.

Mark Pitt, presidente del dipartimento e professore di fisica, ha affermato che molti dei suoi docenti del Center for Neutrino Physics sono stati attivamente coinvolti nella ricerca del neutrino sterile.

Le tecnologie di rilevamento per la ricerca di neutrini sterili sono state un interesse attivo dei membri della facoltà del centro Jonathan Link e Bruce Vogelaar“, ha affermato Pitt. “Dal punto di vista teorico, il direttore del centro Patrick Huber e il gruppo di Camillo hanno aperto la strada alla comprensione di come gli esperimenti ad argon liquido come MicroBooNE siano influenzati dalla modellazione dei neutrini che interagiscono con il nucleo di argon“.

Pitt ha aggiunto che già nel 2011, Mariani ha ospitato il workshop internazionale Sterile Neutrinos at the Crossroads come uno dei primi eventi del centro.

Huber, il direttore del centro, ha aggiunto: “Questa è la prima volta che otteniamo una sorta di osservazione fisica di alto livello da un rilevatore di argon liquido, che mostra anche che si tratta di una tecnologia complicata. L’analisi ha richiesto un molto tempo. Avevano interrotto l’acquisizione dei dati un po’ di tempo fa, ma convertire quei dati grezzi dal rivelatore in una dichiarazione sulla fisica è un processo davvero difficile… È un buon giorno per la scienza, abbiamo imparato qualcosa, abbiamo imparato che sono i fotoni, non elettroni

Qual è il futuro di Mariani? Fa parte del nuovo Deep Underground Neutrino Experiment (o DUNE in breve), un esperimento internazionale di punta ospitato anche dal Fermilab che conta già più di 1.000 ricercatori provenienti da oltre 30 paesi. DUNE studierà le oscillazioni inviando neutrini a 1500 chilometri attraverso la Terra ai rivelatori posti presso il Sanford Underground Research Facility, alla profondità di 1500 metri. La combinazione di esperimenti sui neutrini a breve e lunga distanza fornirà ai ricercatori informazioni sul funzionamento di queste particelle fondamentali. Ora in costruzione, il rilevatore dovrebbe entrare in funzione nel 2027.

Cos’è il neutrino sterile

Il sito di Media Inaf ci dice che il neutrino sterile è uno fra i latitanti più ricercati al mondo. La sua foto segnaletica è appesa in tutti i laboratori di fisica delle particelle e in tutti gli studi di astrofisica teorica del pianeta. Segni caratteristici: particella elementare con spin destrorso di valore 1/2, dunque un fermione, senza carica elettrica, di massa sconosciuta. E a differenza dei suoi fratelli – i neutrini elettronico, muonico e tauonico – il neutrino sterile dovrebbe interagire solo con la gravità. Un tratto, quest’ultimo, che lo rende pesantemente indiziato d’essere uno dei volti che si nascondono dietro quel mefisto nero che chiamiamo materia oscura – dunque uno dei responsabili di quell’80 per cento abbondante di massa dell’universo che continua a mancare all’appello. Il suo nome è neutrino sterile. La notizia è che è di nuovo sfuggito alla cattura.

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