Neutrini: pronti nuovi esperimenti per rivelare i segreti delle particelle

I neutrini potrebbero essere la chiave per risolvere finalmente un mistero sulle origini del nostro universo dominato dalla materia, e sono in corso i preparativi per due importanti esperimenti da miliardi di dollari per rivelare i segreti delle particelle. Ora, un team di fisici nucleari si è rivolto all’umile elettrone per fornire informazioni su come questi esperimenti possono prepararsi meglio a catturare informazioni critiche. 

La loro ricerca, che è stata condotta presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e recentemente pubblicata su Nature, rivela che sono necessari importanti aggiornamenti ai modelli di neutrini affinché gli esperimenti ottengano risultati di alta precisione.

I neutrini sono onnipresenti, generati in gran numero dalle stelle in tutto il nostro universo. Sebbene prevalenti, queste timide particelle interagiscono raramente con la materia, rendendole molto difficili da studiare.

“C’è questo fenomeno dei neutrini che cambiano da un tipo all’altro, e questo fenomeno è chiamato oscillazione del neutrino. È interessante studiare questo fenomeno, perché non è ben compreso”, ha affermato Mariana Khachatryan, co-autrice dello studio che era una studentessa laureata presso la Old Dominion University nel gruppo di ricerca del professore ed eminente studioso Larry Weinstein quando ha contribuito alla ricerca. Ora è ricercatrice associata post-dottorato presso la Florida International University.

Un modo per studiare l’oscillazione dei neutrini è costruire rivelatori giganteschi e ultrasensibili per misurare i neutrini in profondità nel sottosuolo. I rivelatori in genere contengono materiali densi con nuclei di grandi dimensioni, quindi è più probabile che i neutrini interagiscano con essi. Tali interazioni innescano una cascata di altre particelle che vengono registrate dai rivelatori. I fisici possono usare quei dati per estrarre informazioni sui neutrini.

“Il modo in cui i fisici lo stanno facendo è misurando tutte le particelle che escono dall’interazione dei neutrini con i nuclei e ricostruendo l’energia del neutrino in entrata per saperne di più sulle sue oscillazioni, e per misurarle in modo molto, ma molto preciso”, ha spiegato Adi Ashkenazi

Ashkenazi è l’autore di contatto dello studio che ha lavorato a questo progetto come ricercatore nel gruppo di ricerca del professor Or Hen presso il Massachusetts Institute of Technology. Ora è docente senior presso l’Università di Tel Aviv.

“I rivelatori sono fatti di nuclei pesanti e le interazioni dei neutrini con questi nuclei sono in realtà interazioni molto complicate”, ha affermato Ashkenazi. “Questi metodi di ricostruzione dell’energia dei neutrini sono ancora molto impegnativi, ed è nostro lavoro migliorare i modelli che usiamo per descriverli”.

Questi metodi includono la modellazione delle interazioni con una simulazione teorica chiamata GENIE, che consente ai fisici di dedurre le energie dei neutrini in arrivo. GENIE è un amalgama di molti modelli che aiutano i fisici a riprodurre alcuni aspetti delle interazioni tra neutrini e nuclei. Poiché si sa così poco sui neutrini, è difficile testare direttamente GENIE per garantire che produrrà risultati sia accurati che di alta precisione dai nuovi dati che saranno forniti da futuri esperimenti, come il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) o Iper-Kamiokande.

Gli elettroni preparano il terreno per gli esperimenti sui neutrini

Per testare GENIE, il team si è rivolto a un’umile particella di cui i fisici nucleari sanno molto di più: l’elettrone.

“Questo sfrutta le somiglianze tra elettroni e neutrini. Stiamo usando studi sugli elettroni per convalidare i modelli di interazione neutrino-nucleo”, ha affermato Khachatryan.

I neutrini e gli elettroni hanno molte cose in comune. Appartengono entrambi alla famiglia delle particelle subatomiche chiamate leptoni, quindi sono entrambe particelle elementari che non sono influenzate dalla forza forte.

In questo studio, il team ha utilizzato una versione a dispersione di elettroni di GENIE, soprannominata e-GENIE, per testare gli stessi algoritmi di ricostruzione dell’energia in entrata che utilizzeranno i ricercatori sui neutrini. Invece di usare i neutrini, hanno usato i recenti risultati degli elettroni.

“Gli elettroni sono stati studiati per anni e i fasci di elettroni hanno energie molto precise”, ha detto Ashkenazi“Conosciamo le loro energie. E quando stiamo cercando di ricostruire quell’energia in arrivo, possiamo confrontarla con ciò che sappiamo. Possiamo testare quanto bene i nostri metodi funzionano per varie energie, che è qualcosa che non puoi fare con i neutrini”.

I dati di input per lo studio provenivano da esperimenti condotti con il rivelatore CLAS presso il Continuous Electron Beam Accelerator Facility del Jefferson Lab, una struttura per utenti del DOE. Il CEBAF è l’acceleratore di elettroni più avanzato al mondo per sondare la natura della materia. Il team ha utilizzato dati che rispecchiavano direttamente il caso più semplice da studiare negli esperimenti sui neutrini: interazioni che hanno prodotto un elettrone e un protone (rispetto a un muone e un protone), da nuclei di elio, carbonio e ferro. Questi nuclei sono simili ai materiali utilizzati nei rivelatori di esperimenti di neutrini.

Inoltre, il gruppo ha lavorato per garantire che la versione elettronica di GENIE fosse il più parallela possibile alla versione del neutrino.

“Abbiamo usato la stessa identica simulazione utilizzata dagli esperimenti sui neutrini e abbiamo usato le stesse correzioni”, ha spiegato Afroditi Papadopoulou, co-autore dello studio e studente laureato al MIT che è anche nel gruppo di ricerca di Hen. “Se il modello non funziona per gli elettroni, dove stiamo parlando del caso più semplificato, non funzionerà mai per i neutrini”.

Anche in questo caso più semplice, la modellazione accurata è fondamentale, perché i dati grezzi dalle interazioni elettrone-nucleo in genere ricostruiscono l’energia del fascio di elettroni in entrata corretta meno della metà del tempo. Un buon modello può spiegare questo effetto e correggere i dati.

Tuttavia, quando GENIE è stato utilizzato per modellare questi eventi di dati, ha funzionato anche peggio.

“Questo può influenzare i risultati dell’oscillazione dei neutrini. Le nostre simulazioni devono essere in grado di riprodurre i nostri dati di elettroni con le energie del raggio note prima di poterci fidare che saranno accurate negli esperimenti sui neutrini”, ha affermato Papadopoulou.

“Il risultato è in realtà sottolineare che ci sono aspetti di questi metodi e modelli di ricostruzione energetica che devono essere migliorati”, ha affermato Khachatryan“Mostra anche un percorso per raggiungere questo obiettivo per esperimenti futuri”.

Il prossimo passo per questa ricerca è testare specifici nuclei bersaglio di interesse per i ricercatori ad uno spettro più ampio di energie degli elettroni in entrata. Avere questi risultati specifici per il confronto diretto aiuterà i ricercatori a mettere a punto i loro modelli.

Secondo il team di studio, l’obiettivo è raggiungere un ampio accordo tra dati e modelli, che contribuirà a garantire che DUNE e Hyper-Kamiokande possano raggiungere i risultati di alta precisione previsti.

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