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Neutrini: nuova pietra miliare con l’esperimento KATRIN

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I neutrini sono probabilmente la particella elementare più affascinante del nostro universo. In cosmologia svolgono un ruolo importante nella formazione di strutture su larga scala, mentre nella fisica delle particelle la loro massa minuscola ma diversa da zero le distingue, indicando nuovi fenomeni fisici al di là delle nostre attuali teorie. Senza una misurazione della scala di massa dei neutrini, la nostra comprensione dell’universo rimarrà incompleta.

L’esperimento KATRIN

Questa è la sfida che l’esperimento internazionale KA rlsruhe TRI tium Neutrino (KATRIN) presso l’Istituto di tecnologia di Karlsruhe (KIT), con partner di sei paesi, ha assunto come la scala più sensibile al mondo per i neutrini. Utilizza il decadimento beta del trizio, un isotopo instabile dell’idrogeno, per determinare la massa del neutrino attraverso la distribuzione di energia degli elettroni rilasciati nel processo di decadimento. Ciò richiede un grande sforzo tecnologico: l’esperimento lungo 70 metri ospita la sorgente di trizio più intensa del mondo e uno spettrometro gigante per misurare l’energia degli elettroni di decadimento con una precisione senza precedenti.

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Montaggio di elettrodi nello spettrometro principale dell'esperimento KATRIN. Credito: Joachim Wolf/KIT
Montaggio di elettrodi nello spettrometro principale dell’esperimento KATRIN. Credito: Joachim Wolf/KIT

L’elevata qualità dei dati dopo l’avvio delle misurazioni scientifiche nel 2019 è stata continuamente migliorata negli ultimi due anni. “KATRIN è un esperimento con i più alti requisiti tecnologici e ora funziona come un perfetto meccanismo a orologeria”, ha affermato con entusiasmo Guido Drexlin (KIT), capo progetto e uno dei due co-portavoci dell’esperimento. Christian Weinheimer (Università di Münster), l’altro co-portavoce, ha aggiunto che “l’aumento della frequenza del segnale e la riduzione della frequenza di fondo sono stati decisivi per il nuovo risultato”.

Analisi dei dati

L’analisi approfondita di questi dati è stata effettuata dal team di analisi internazionale guidato dai suoi due coordinatori, Susanne Mertens (Istituto Max Planck per la fisica e TU Monaco) e Magnus Schlösser (KIT). Ogni effetto, non importa quanto piccolo, doveva essere studiato in dettaglio. “Solo con questo metodo laborioso e intricato siamo stati in grado di escludere una distorsione sistematica del nostro risultato dovuta a processi distorsivi. Siamo particolarmente orgogliosi del nostro team di analisi che ha affrontato con successo questa enorme sfida con grande impegno”, sono lieti di riferire i due coordinatori dell’analisi.

L'esperimento KATRIN lungo 70 metri con i suoi componenti principali sorgente di trizio, spettrometro principale e rivelatore. Credito: Leonard Köllenberger/KATRIN Collaborazione
L’esperimento KATRIN lungo 70 metri con i suoi componenti principali sorgente di trizio, spettrometro principale e rivelatore. Credito: Leonard Köllenberger/KATRIN Collaborazione

I neutrini sono più leggeri di 0,8 elettronvolt

I dati sperimentali del primo anno di misurazioni e la modellizzazione basata su una massa di neutrini estremamente piccola corrispondono perfettamente: da ciò si può determinare un nuovo limite superiore sulla massa del neutrino di 0,8 eV. Questa è la prima volta che un esperimento diretto sulla massa dei neutrini entra nell’intervallo di massa sub-eV, cosmologicamente e fisicamente importante, dove si sospetta che si trovi la scala di massa fondamentale dei neutrini. “La comunità della fisica delle particelle è entusiasta del fatto che la barriera 1-eV sia stata infranta da KATRIN”, ha commentato l’esperto di neutrini John Wilkerson (University of North Carolina, Chair of the Executive Board).

Susanne Mertens spiega il percorso verso il nuovo record: “Il nostro team presso l’MPP di Monaco ha sviluppato un nuovo metodo di analisi per KATRIN che è appositamente ottimizzato per i requisiti di questa misurazione ad alta precisione. Questa strategia è stata utilizzata con successo per i risultati passati e attuali. Il mio gruppo è altamente motivato: continueremo ad affrontare le sfide future dell’analisi KATRIN con nuove idee creative e accuratezza meticolosa”.

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Ulteriori misurazioni dovrebbero migliorare la sensibilità

I co-portavoci e i coordinatori dell’analisi di KATRIN sono molto ottimisti riguardo al futuro: “Ulteriori misurazioni della massa del neutrino continueranno fino alla fine del 2024. Per realizzare il pieno potenziale di questo esperimento unico, non solo aumenteremo costantemente le statistiche di eventi di segnalazione, svilupperemo e installeremo continuamente miglioramenti per abbassare ulteriormente il tasso di background”.

Lo sviluppo di un nuovo sistema di rivelazione (TRISTAN) gioca un ruolo specifico in questo, consentendo a KATRIN dal 2025 di intraprendere la ricerca di neutrini sterili con masse nell’ordine dei kiloelettronvolt, candidati alla misteriosa materia oscura nel cosmo che si è già manifestato in molte osservazioni astrofisiche e cosmologiche, ma la cui natura particella-fisica è ancora sconosciuta.

L’esperimento è stato pubblicato sulla rivista Nature Physics.

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