Neutrini: svelati i segreti della loro massa

Negli anni '30, il concetto di neutrini è emerso per spiegare l'energia e la quantità di moto mancanti nel decadimento beta del nucleo, portando alla loro definitiva conferma sperimentale nel 1956

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Neutrini: svelati i segreti della loro massa
Neutrini: svelati i segreti della loro massa

Negli anni ’30, il concetto di neutrini è emerso per spiegare l’energia e la quantità di moto mancanti nel decadimento beta del nucleo, portando alla loro definitiva conferma sperimentale nel 1956. Queste particelle spettrali, che interagiscono a malapena con la materia, passano attraverso di noi inosservate da fonti cosmiche come il Sole. La ricerca avanzata ha dimostrato che i neutrini oscillano tra i tipi e possiedono massa, contraddicendo le teorie precedenti e suggerendo una fisica ancora da scoprire.

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Oscillazioni dei neutrini e la sfida al modello standard

La sfida: i neutrini interagiscono con altre particelle di materia solo attraverso l’interazione debole che è anche alla base del decadimento beta di un nucleo atomico. Per questo motivo centinaia di trilioni di neutrini provenienti dal cosmo, in particolare dal Sole, possono attraversare il nostro corpo ogni secondo senza causare alcun danno. Collisioni estremamente rare con altre particelle di materia possono essere rilevate solo con enormi rivelatori.

I neutrini solari hanno portato ad un’altra rivelazione: i tre tipi di essi finora conosciuti possono trasformarsi l’uno nell’altro. Tuttavia, queste “oscillazioni” hanno avuto gravi conseguenze per la visione del mondo della fisica delle particelle. In precedenza, si presumeva che i neutrini non avessero massa a riposo, come i fotoni.

Questo sarebbe compatibile con il modello standard della fisica delle particelle, la migliore descrizione fino ad oggi. Tuttavia, in contrasto con le previsioni del Modello Standard della fisica delle particelle, che le considerava prive di massa, le oscillazioni hanno dimostrato inequivocabilmente che i neutrini possiedono una massa a riposo, seppur minuscola.



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Misurazione della massa dei neutrini attraverso il decadimento beta

Svelare l’esatta massa a riposo dei neutrini equivarrebbe a spalancare le porte verso un Universo di nuova fisica ancora inesplorato. La natura sfuggente di queste particelle tuttavia rende impossibile una misurazione diretta e semplice.

Per ovviare a questo ostacolo, la comunità scientifica ha ideato esperimenti ingegnosi e altamente complessi che sfruttano processi fisici accessibili che coinvolgono i neutrini. Questi esperimenti, pur rappresentando sfide tecniche considerevoli, hanno offerto l’unica speranza di svelare questo mistero fondamentale

Christoph Schweiger, dottorando presso il dipartimento di Klaus Blaum dell’Istituto Max Planck di fisica nucleare ha dichiarato: “Un modo è il decadimento beta del trizio”.

Qui, uno dei due neutroni dell’idrogeno superpesante decade in un protone ed emette un elettrone e un neutrino, trasformando così l’atomo in elio più leggero. Questo processo viene “soppesato” dall’esperimento KATRIN presso il Karlsruhe Institute of Technology.

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Cattura di elettroni e rilascio di neutrini

Schweiger ha aggiunto: “Il percorso complementare è la cattura degli elettroni dell’isotopo artificiale olmio-163”. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Phisycs.

In questo processo, noto come cattura di elettroni, un elettrone dal guscio elettronico interno di un atomo viene catturato dal nucleo atomico. Questo evento porta alla conversione di un protone in un neutrone, trasformando l’atomo originario in un elemento diverso. Nel caso specifico, l’isotopo olmio-163 cattura un elettrone, convertendo un protone in un neutrone e trasformandosi in disprosio-163.

La collaborazione internazionale ECHo, alla quale partecipano gli scienziati di Heidelberg, ha tentato di misurare energeticamente questo processo di decadimento con estrema precisione. Secondo la formula di Einstein E = mc2, massa ed energia sono equivalenti, quindi misurare l’energia può essere equiparato alla pesatura delle masse.

Come “calorimetro”, ECHo misura con estrema precisione l’energia totale rilasciata in questo decadimento: ciò corrisponde al massimo del valore Q meno la massa restante del neutrino rilasciato. A questo scopo, l’isotopo dell’olmio-163 viene incorporato in uno strato di atomi d’oro.

Schweiger ha spiegato: “Tuttavia, questi atomi d’oro potrebbero avere un’influenza sull’olmio-163. È quindi importante misurare il valore di Q nel modo più preciso possibile utilizzando un metodo alternativo e confrontarlo con il valore determinato calorimetricamente per individuare possibili fonti sistematiche di errore”.

È qui che entrano in gioco l’esperimento della pentatrappola di Heidelberg e la tesi di dottorato di Schweiger. Pentatrap è composta da cinque cosiddette trappole Penning. In queste trappole, gli atomi caricati elettricamente possono essere catturati in una combinazione di campo elettrico e magnetico statico. Questi ioni eseguono un’intricata “danza circolare”, che consente di determinare la loro massa con estrema precisione.

Un equilibrio atomico estremamente preciso: PENTATRAP è composto da cinque trappole Penning disposte una sopra l'altra (torre gialla al centro). In queste trappole costruite in modo identico è possibile misurare a confronto gli ioni nello stato quantico eccitato e nello stato fondamentale. Per ridurre al minimo le incertezze, gli ioni vengono anche spostati avanti e indietro tra diverse trappole per misurazioni comparative. Credito: MPIK
Un equilibrio atomico estremamente preciso: PENTATRAP è composto da cinque trappole Penning disposte una sopra l’altra (torre gialla al centro). In queste trappole costruite in modo identico è possibile misurare a confronto gli ioni nello stato quantico eccitato e nello stato fondamentale. Per ridurre al minimo le incertezze, gli ioni vengono anche spostati avanti e indietro tra diverse trappole per misurazioni comparative. Credito: MPIK

Implicazioni delle misurazioni della massa dei neutrini

In linea di principio, una trappola Penning funziona come un’altalena. Se metti due bambini di peso diverso uno accanto all’altro su due altalene dello stesso tipo e li spingi con la stessa forza, osserverai gradualmente uno spostamento nelle frequenze dell’altalena. Questo può essere utilizzato per calcolare la differenza di peso tra i due bambini.

Nel caso dell’esperimento pentatrap, questa è la differenza di massa tra uno ione olmio-163 e uno ione disprosio-163. Inoltre, quanto più velocemente entrambi i bambini dondolano, tanto prima si ottiene il risultato, che è anche molto più accurato per lo stesso tempo di osservazione rispetto all’oscillazione lenta.

Per questo motivo, il team ha rimosso 38, 39 e 40 elettroni dagli ioni “altamente carichi” in tre diverse serie di misurazioni, rendendo la loro “danza circolare” notevolmente più veloce.

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Il futuro della ricerca sulla massa dei neutrini

Dalle differenze di massa risultanti da diverse misurazioni di frequenza, gli scienziati di Heidelberg sono riusciti finalmente a determinare tramite E = mc2 un valore Q per la cattura degli elettroni che era 50 volte più preciso di prima.

Oltre alla differenza di frequenza tra i due ioni, una seconda variabile ha un’influenza significativa sul valore Q determinato: l’energia immagazzinata nel sistema elettronico rimanente di uno ione altamente carico. Poiché uno ione così grande è un sistema multiparticellare, il calcolo è stato altrettanto complesso.

Si è scoperto che i calcoli hanno prodotto quasi esattamente gli stessi valori Q per i tre stati di carica misurati con 38, 39 e 40 elettroni rimossi. Questo ha reso chiaro che si potevano escludere incertezze sistematiche negli esperimenti e nella teoria, ha sottolineato Schweiger con entusiasmo. E cosa significa questo per le masse dei neutrini?

KATRIN ha determinato il limite superiore più preciso finora della massa del neutrino “pesando” 0,8 elettronvolt per velocità della luce al quadrato, che corrisponde a un inimmaginabile 0,000000000000000000000000000000000014 chilogrammi.

Questo ordine di grandezza di 10 –36 corrisponde approssimativamente al rapporto in peso tra quattro uvette e il Sole. E questo è solo un limite superiore.

L’analisi della distribuzione di massa stimata nell’universo arriva addirittura ad un limite superiore significativamente più basso delle masse dei neutrini di 0,12 elettronvolt per velocità della luce al quadrato.

In ogni caso è chiaro che chiunque voglia pesare i neutrini si trova ad affrontare sfide estreme, al limite di ciò che è tecnicamente possibile. In questo contesto, il risultato di Heidelberg rappresenta un importante passo avanti verso la soluzione del mistero delle masse dei neutrini.

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