Gli scienziati hanno compiuto un significativo passo avanti verso la risoluzione di un mistero fondamentale della fisica: la prevalenza della materia sull’antimateria nell’Universo. Questo progresso è stato reso possibile da una nuova analisi combinata dei dati provenienti da due dei più importanti esperimenti sui neutrini al mondo.
Universo: l’enigma materia-antimateria
Mettendo insieme quasi 16 anni di misurazioni, l’esperimento NOvA negli Stati Uniti e l’esperimento T2K in Giappone hanno prodotto la rappresentazione più precisa finora di come i neutrini e i loro gemelli di antimateria (gli antineutrini) si trasformano durante il loro viaggio. I risultati mirano a individuare sottili differenze nel comportamento di queste particelle, discrepanze che potrebbero spiegare perché la materia abbia prevalso sull’antimateria Nell’Universo primordiale.
Secondo il Modello Standard della fisica delle particelle, se materia e antimateria fossero perfettamente simmetriche, il Big Bang avrebbe dovuto creare quantità uguali di entrambe, le quali si sarebbero annichilate al contatto, portando a un universo di pura energia. Tuttavia, il cosmo è composto in modo schiacciante da materia, suggerendo l’esistenza di un meccanismo sottile e ancora misterioso che ha conferito alla materia un leggero vantaggio iniziale.
Il principale sospettato di aver fatto pendere la bilancia cosmica è il neutrino, una particella “fantasma” quasi priva di massa che permea l’universo ma interagisce raramente con la materia. Per questo motivo sono spesso chiamati “particelle fantasma”.
I fisici si sono a lungo chiesti se i neutrini e gli antineutrini si comportino in modo diverso, una discrepanza nota come violazione di CP. Anche una sottile violazione di questa simmetria potrebbe illuminare il modo in cui la materia ha acquisito il suo vantaggio.
Ryan Patterson, professore di fisica al California Institute of Technology e co-responsabile del team NOvA, ha chiarito l’obiettivo sperimentale: “Sebbene ci sia ancora molto da capire, la domanda sperimentale critica è chiara: possiamo vedere questa violazione di simmetria nei neutrini e, in tal caso, quanto è grande?”
Misurare il cambiamento di sapore e la violazione di CP
L’interessante natura dei neutrini risiede in gran parte nella loro capacità di cambiare identità. Queste particelle esistono in tre distinti “sapori” e, mentre viaggiano nello spazio, oscillano continuamente tra questi tipi. Questo fenomeno accade perché ciascun sapore è una complessa miscela di tre stati di massa fondamentali. Durante il viaggio, questi stati di massa sottostanti si modificano, provocando la trasformazione della particella da un sapore all’altro.
Un’analogia utile è che sarebbe come “trovare il tuo cono gelato alla fragola trasformato in cioccolato mentre torni a casa”. Tracciando questi cambiamenti di sapore, gli scienziati possono misurare le minuscole differenze di massa che governano le oscillazioni dei neutrini. Attraverso il confronto tra il comportamento dei neutrini e quello degli antineutrini, i ricercatori possono indagare sulla cruciale violazione di CP, il meccanismo che potrebbe aver favorito la materia.
Per raggiungere questo obiettivo, due importanti esperimenti globali hanno combinato le loro forze. L’esperimento NOvA negli Stati Uniti ha generato un fascio di neutrini dal Fermilab vicino a Chicago, indirizzandolo verso un rivelatore situato a 800 chilometri di distanza, in Minnesota. Parallelamente, l’esperimento giapponese T2K (Tokai-to-Kamioka) ha inviato il proprio fascio per 295 chilometri, partendo dal Japan Proton Accelerator Research Complex di Tokai e arrivando al gigantesco rivelatore Super-Kamiokande, sepolto a circa 1 chilometro sotto una montagna a Kamioka.
Poiché operano a distanze ed energie diverse, i due esperimenti catturano caratteristiche complementari delle oscillazioni. Combinando i loro dati, i ricercatori sono in grado di isolare i parametri più sottili che controllano la trasformazione dei neutrini.
Un risultato chiave di questa analisi congiunta è la misurazione estremamente precisa di uno dei parametri di oscillazione più fondamentali, noto come “splitting” della massa del neutrino. La collaborazione ha ristretto l’incertezza su questo valore a solo il 2%, stabilendo una delle misurazioni più precise mai riportate in questo campo.
Ryan Patterson ha evidenziato l’importanza di tale risultato, affermando che “È alla base di tutte le altre misurazioni che effettuiamo”. Questo progresso apre anche nuove strade per determinare la gerarchia di massa dei neutrini, ovvero l’ordinamento ancora sconosciuto dei tre stati di massa.
Federico Sanchez, fisico sperimentale e collaboratore di T2K, ha commentato che “Ad oggi, accettiamo l’esistenza di tre famiglie di neutrini, ciascuna associata a masse distinte. Ma non abbiamo ancora una comprensione fondamentale del perché ce ne siano esattamente tre, e non due, quattro o più, e perché le loro differenze di massa assumano i valori specifici che osserviamo.” Ha aggiunto che la gerarchia di massa è fondamentale non solo per i calcoli teorici, ma anche come “risultato tangibile che può essere direttamente confrontato con i modelli esistenti”.
L’attuale analisi congiunta non è ancora in grado di stabilire quale gerarchia sia corretta. Tuttavia, Patterson ha indicato che se i dati futuri dovessero mostrare che la gerarchia è invertita, l’attuale set di dati suggerisce già che i neutrini potrebbero violare la simmetria CP. Se invece si confermasse la gerarchia normale, saranno necessari ulteriori dati per isolare gli effetti concorrenti.
Kendall Mahn, co-portavoce di T2K, ha riassunto l’importanza di questa collaborazione: “La fisica dei neutrini è un campo strano. È molto difficile isolare gli effetti. Combinando le analisi possiamo isolare uno di questi effetti, e questo è un progresso.”
Armonizzare le ipotesi sperimentali
Oltre ai risultati immediati nel campo della fisica, i ricercatori sottolineano che uno degli esiti più significativi della collaborazione tra NOvA e T2K è lo sviluppo di un quadro comune iniziale, ovvero un “linguaggio” condiviso per descrivere le interazioni dei neutrini nei vari esperimenti.
Nonostante tutti gli esperimenti si basino sulla stessa fisica fondamentale, ciascuno adotta approssimazioni e scelte metodologiche diverse in base al design unico del proprio rivelatore. Tra le ipotesi più critiche vi sono quelle relative al modo in cui i neutrini interagiscono con la materia, un aspetto essenziale per ricostruire accuratamente la loro energia, e la quantità di neutrini prodotti a una data energia, come ha spiegato Sanchez.
Anche piccole differenze in questi modelli possono influenzare l’interpretazione dei modelli di oscillazione. Armonizzando queste ipotesi, la collaborazione ha creato un modello di partenza che gli esperimenti futuri potranno adottare per garantire che i risultati siano direttamente confrontabili.
Sanchez ha spiegato che “La precisione in queste misurazioni è fondamentale, poiché anche discrepanze minime potrebbero segnalare deviazioni dal modello, rivelando potenzialmente nuova fisica. Più precisa è la concordanza, più siamo certi che la nostra descrizione sia corretta”.
Il momento per questo quadro unificato è cruciale, in vista della prossima generazione di esperimenti ultrasensibili. Il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), in costruzione in Illinois e South Dakota, e l’Hyper-Kamiokande in Giappone, dovrebbero entrambi entrare in funzione nel 2028.
Lo studio è stato pubblicato su Nature.
