Un’anomalia per spiegare le anomalie del cosmo

Forse è proprio vero che si sta aprendo una nuova strada per la fisica. Ed è al tempo stesso strano che far quadrare i conti ‒ sia nel modello che spiega in modo pressoché completo il mondo dell’infinitamente piccolo (il Modello Standard) che nel modello standard cosmologico ‒ spetti forse proprio alla particella più elusiva dell’universo, il neutrino, di cui abbiamo parlato tante volte in queste pagine.

All’inizio del tempo, assieme alla materia avrebbe dovuto essere presente nell’universo una pari quantità di materia con caratteristiche opposte alla prima (come ad esempio la carica elettrica), l’antimateria. E invece, quest’ultima è quasi del tutto assente. E’ sì vero che l’interazione materia‒antimateria produrrebbe l’annichilazione, cioè la trasformazione delle masse coinvolte in energia, ma questo non spiegherebbe la presenza comunque della sola materia nel cosmo.

Asimmetria tra materia e antimateria

L’esperimento LHCb del Large Hadron Collider al CERN di Ginevra, ha verificato ultimamente (R. Maciuła, A. Szczurek, “D meson production asymmetry, unfavored fragmentation, and consequences for prompt atmospheric neutrino production” ‒ PHYSICAL REVIEW D 97, 074001 (2018) l’esistenza di una asimmetria nella generazione di alcune particelle chiamate “mesoni charm” (indicate anche con “mesoni D”) e delle loro corrispondenti antiparticelle, gli antimesoni D: nelle reazioni in cui queste vengono prodotte, non si registra sempre un conteggio nelle medesime proporzioni fra mesoni D e gli antimesoni D. Una asimmetria abbastanza “sintomatica”.

I neutrini ad alta energia ‒ del tipo di quelli che provengono dalle profondità del cosmo in seguito a eventi parossistici come grandi esplosioni stellari (supernovae) oppure fusioni tra buchi neri ‒ possono arrivare direttamente sui grandi rivelatori installati nel pianeta. Uno di questi è l’IceCube Lab collocato in Antartide. Ma anche le interazioni fra i protoni dei raggi cosmici e l’alta atmosfera potrebbero chiamare in causa proprio i mesoni D, producendo neutrini ad alta energia. Ciò sta a significare che la statistica registrata di questi ultimi, che ora viene attribuita a grandi eventi cosmici, potrebbe invece essere in parte attribuita a ciò che si verifica molto più vicino a noi, in atmosfera. E questo avrebbe effetti significativi sull’interpretazione dei fenomeni che avvengono su scala cosmica, nel senso di un loro possibile ridimensionamento.

L’oscillazione dei neutrini

A fine maggio di quest’anno, la OPERA Collaboration (A. Ereditato et al. – Final Results of the OPERA Experiment on ντAppearance in the CNGS Neutrino Beam – PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 211801 (2018) ha pubblicato i risultati di una ricerca riguardante i neutrini. In pratica, si tratta della conferma del fenomeno per cui queste particelle, che interagiscono pochissimo con la materia, nel loro viaggio per raggiungere i rivelatori cambiano la loro natura. Spieghiamo di cosa si tratta, perché questi risultati hanno una ricaduta importantissima sul Modello Standard delle particelle fondamentali e delle interazioni esistenti tra queste.

I sapori dei neutrini

Esistono tre tipologie differenti di neutrini (in realtà si parla di “sapori” diversi), legate alle particelle cui esse vengono associate (elettrone, muone e tauone). Una delle sorgenti più intense di neutrini è quella solare. Noi stessi siamo attraversati da una quantità elevatissima di questi oggetti che, secondo il Modello Standard, dovrebbero essere privi di massa: in ogni centimetro quadrato ne passano circa sessanta miliardi al secondo. Come abbiamo accennato, i neutrini non “vedono” la materia: l’universo stesso apparirebbe ad essi quasi del tutto vuoto, data la loro bassa probabilità di interazione.

La Opera Collaboration ha verificato il fenomeno dell’oscillazione dei neutrini: in pratica, nel tragitto che questi compiono per arrivare al rivelatore essi cambiano la loro natura, cioè modificano il loro “sapore”. L’esperimento ha sede nei Laboratori del Gran Sasso e la sorgente di neutrini è al CERN di Ginevra, a oltre settecento chilometri di distanza, coperti da questi ultimi in meno di tre millisecondi. Bene, in questo intervallo di tempo si è visto che neutrini giunti al rivelatore avevano modificato la loro natura: erano partiti con un sapore ed erano arrivati con un sapore diverso. La situazione di fatto è un po’ più articolata, perché tra i neutrini esiste una sorta di “mixing” di sapori diversi.

Aiutiamoci con un esempio. Immaginiamo di entrare in una gelateria e di prendere un bel gelato con tre sapori differenti, miscelati anche in proporzioni diverse. Nel tragitto verso casa, scopriamo con sorpresa che uno dei tre gusti ha preso il sopravvento sugli altri, trasformandosi di fatto in un gelato con un altro sapore.

Un comportamento un po’… “esotico”, ma le sorprese non terminano qui. Già, perché questa proprietà così trasformista del neutrino ne denuncerebbe un’altra che si scontrerebbe proprio col Modello Standard: per oscillare in questo modo, il neutrino deve possedere una massa, piccola ma concettualmente significativa al punto da creare un condizione interna al Modello di apparente incoerenza.

Il neutrino sterile

Il neutrino però non esaurisce qui le sue magie. È ancora più recente la suggestione che un altro esperimento condotto al Fermilab di Los Alamos, pubblicato come preprint sul sito arXiv (R. Ford, G. T. Garvey et al. – Observation of a Significant Excess of Electron-Like Events in the MiniBooNE Short-Baseline Neutrino Experiment – arXiv:1805.12028v1 [hep–ex] 30 May 2018) sembrerebbe mostrare: un’anomalia nell’accumulo di dati sperimentali intorno ai processi di oscillazione e di mixing dei neutrini. La Collaborazione MiniBooNE ha evidenziato tale aspetto dell’anomalia suggerendo la possibilità che i sapori di questa particella straordinaria non si limitino a tre ma che possa esistere almeno un altro sapore, quello di un neutrino peraltro già ipotizzato, il neutrino sterile.

Se davvero questa dovesse essere la “pistola fumante”, cioè la prova indiretta della sua esistenza, si aprirebbe davvero la strada per una nuova fisica, forse con conseguenze cosmologiche rivoluzionarie.

Come abbiamo spesso raccontato in questo blog, le interazioni fondamentali della natura sono quattro e completano la descrizione delle forze che sono in gioco nel microcosmo e nel macrocosmo:

  1. la forza gravitazionale,
  2. la forza elettromagnetica,
  3. la forza nucleare debole (che regola il modo in cui decadono i nuclei radioattivi o anche le reazioni nucleari che avvengono sul sole)
  4. la forza nucleare forte, che tiene unito il nucleo atomico.

Ora accade che i neutrini abbiano interazioni mediante la forza nucleare debole (e anche quella gravitazionale). Il neutrino sterile non avrebbe invece interazioni con nessuna forza, tranne quella gravitazionale. L’eventuale conferma della sua esistenza viene considerata fondamentale perché, data la caratteristica del neutrino sterile, quest’ultimo potrebbe essere considerato uno dei maggiori indiziati per spiegare la natura di quel mistero ancora insoluto riguardante la presenza di materia oscura dell’universo.

Il neutrino di Majorana

È recente la prima raccolta di dati riguardante l’esperienza CUPID‒0 (CUORE Upgrade with Particle IDentification), installata presso i Laboratori del Gran Sasso. (O. Azzolini et al. – First Result on the Neutrinoless Double-β Decay of 82Se with CUPID-0 – Phys. Rev. Lett. 120, 232502 – Published 5 June 2018). Questa esperienza è alla ricerca di un decadimento radioattivo molto raro.

E’ noto che un certo decadimento nucleare produce un neutrino (decadimento beta). In questa ricerca, si studia un fenomeno di decadimento beta “doppio” ma senza emissione di neutrini, in cui il neutrino coinciderebbe con il suo corrispondente in antimateria, l’antineutrino. La sua scoperta confermerebbe un’ipotesi del grande fisico scomparso in circostanze misteriose, Ettore Majorana e prenderebbe il nome di “particella di Majorana”. In questa esperienza, si è raggiunto un nuovo limite per il decadimento doppio beta senza neutrini in un isotopo del selenio che è circa dieci volte superiore al precedente (per maggiori dettagli sul decadimento doppio beta si può consultare una mia nota sull’esperienza CUORE, sempre in questo blog).

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione /  Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione /  Modifica )

Connessione a %s...

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.