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    Avvicinandosi all'asimmetria materia-antimateria:i risultati di T2K limitano i possibili valori della fase CP del neutrino

    La freccia indica il valore più compatibile con i dati. La regione grigia è sfavorevole al livello di confidenza del 99,7%. Sono esclusi quasi la metà dei valori possibili. Credito:la collaborazione T2K

    La T2K Collaboration ha pubblicato nuovi risultati che mostrano il vincolo più forte finora sul parametro che governa la rottura della simmetria tra materia e antimateria nelle oscillazioni dei neutrini. Utilizzando fasci di neutrini muonici e antineutrini muonici, T2K ha studiato come queste particelle e antiparticelle si trasformano in neutrini elettronici e antineutrini elettronici, rispettivamente. Il parametro che regola la rottura della simmetria materia/antimateria nell'oscillazione del neutrino, chiamato δ cp fase, può assumere un valore da -180º a 180º. Per la prima volta, T2K ha sfavorito quasi la metà dei possibili valori al livello di confidenza del 99,7% (3σ), e sta iniziando a rivelare una proprietà fondamentale dei neutrini che non è stata misurata fino ad ora. Questo è un passo importante sulla strada per sapere se i neutrini e gli antineutrini si comportano o meno in modo diverso. Questi risultati, utilizzando i dati raccolti fino al 2018, sono stati pubblicati sulla rivista scientifica multidisciplinare, Natura il 16 aprile.

    Per la maggior parte dei fenomeni, le leggi della fisica forniscono una descrizione simmetrica del comportamento di materia e antimateria. Però, questa simmetria non vale universalmente. L'effetto dell'asimmetria tra materia e antimateria è più evidente nell'osservazione dell'universo, che è composto da materia con poca antimateria. Si ritiene che all'inizio dell'universo siano state create uguali quantità di materia e antimateria. Quindi, affinché l'universo si evolva in uno stato in cui la materia domina sull'antimateria, condizione necessaria è la violazione della cosiddetta simmetria Charge-Parity (CP). Fino ad ora, La violazione della simmetria CP è stata osservata solo nella fisica delle particelle subatomiche chiamate quark, ma l'entità della violazione della simmetria CP non è abbastanza grande da spiegare il dominio osservato della materia sull'antimateria nell'universo. T2K sta ora cercando una nuova fonte di violazione della simmetria CP nelle oscillazioni dei neutrini che si manifesterebbe come una differenza nella probabilità di oscillazione misurata per neutrini e antineutrini.

    L'esperimento T2K utilizza un fascio costituito principalmente da neutrini muonici o antineutrini muonici creato utilizzando il fascio di protoni del Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) situato nel villaggio di Tokai, sulla costa orientale del Giappone. Una piccola frazione dei neutrini (o antineutrini) viene rilevata a 295 km di distanza dal rivelatore Super-Kamiokande, situato sotto una montagna a Kamioka, vicino alla costa occidentale del Giappone. Poiché i neutrini muonici e gli antineutrini muonici percorrono la distanza da Tokai a Kamioka (da cui il nome T2K), una frazione oscillerà o cambierà sapore rispettivamente in neutrini elettronici o antineutrini elettronici. I neutrini elettronici e gli antineutrini elettronici sono identificati nel rivelatore Super-Kamiokande dagli anelli di luce Cherenkov che producono (mostrati sotto). Mentre Super-Kamiokande non può identificare ogni evento come un'interazione di neutrini o antineutrini, T2K è in grado di studiare separatamente le oscillazioni del neutrino e dell'antineutrino azionando il fascio in modalità neutrino o modalità antineutrino.

    Visualizzazione degli eventi del neutrino elettronico candidato (sinistra) e dell'antineutrino elettronico (destra) osservati in Super-K dal fascio di neutrini T2K. Credito:la collaborazione T2K

    T2K ha rilasciato un risultato analizzando i dati con 1.49x10 21 e 1.64x10 21 protoni dall'acceleratore rispettivamente per la modalità fascio di neutrini e la modalità fascio di antineutrino. Se il parametro δ cp è uguale a 0º o 180º, i neutrini e gli antineutrini cambieranno il loro tipo (da muone ad elettrone) allo stesso modo durante l'oscillazione. il cp parametro può avere un valore che esalta le oscillazioni dei neutrini o degli antineutrini, rottura della simmetria CP. Però, l'osservazione dei neutrini è già migliorata nell'esperimento T2K dal fatto che i rivelatori ei componenti della linea di fascio sono fatti di materia e non di antimateria. Per separare l'effetto di δ cp dalla linea del raggio nota e dagli effetti di interazione, l'analisi T2K include correzioni basate sui dati provenienti da rivelatori magnetizzati vicino (ND280) posizionati a 280 m dal bersaglio. T2K ha osservato 90 candidati di neutrini elettronici e 15 candidati di antineutrini elettronici. T2K prevede di osservare 82 eventi di neutrini elettronici rispetto a 17 eventi di antineutrini elettronici per il massimo potenziamento dei neutrini (δ cp =-90º) e 56 eventi di neutrini elettronici rispetto a 22 eventi di antineutrini elettronici per il massimo potenziamento dell'antineutrino (δ cp =+90º). Il numero di eventi osservato in funzione dell'energia del neutrino ricostruito è mostrato di seguito. I dati T2K sono più compatibili con un valore vicino a δ cp =-90º che aumenta significativamente la probabilità di oscillazione dei neutrini nell'esperimento T2K. Utilizzando questi dati, T2K valuta gli intervalli di confidenza per il parametro δ cp . La regione sfavorevole al livello di confidenza 3σ (99,7%) è compresa tra 2º e 165º. Questo risultato rappresenta il vincolo più forte su δ cp ad oggi. I valori di 0º e 180º sono sfavorevoli al livello di confidenza del 95%, come era il caso della precedente versione di T2K nel 2017, indicando che la simmetria CP può essere violata nelle oscillazioni dei neutrini.

    • Gli eventi candidati del neutrino elettronico (sinistra) e dell'antineutrino elettronico (destra) osservati con previsioni per il massimo potenziamento del neutrino (rosso, trattino lungo) e massimo potenziamento dell'antineutrino (blu, trattino corto). Credito:la collaborazione T2K

    • Osservatorio Kamioka, ICRR (Istituto per la ricerca sui raggi cosmici), L'Università di Tokio. Credito:Osservatorio Kamioka, ICRR (Istituto per la ricerca sui raggi cosmici), L'Università di Tokyo

    • Visualizzazione di eventi per un neutrino elettronico candidato. Credito:T2K

    Sebbene questo risultato mostri una forte preferenza per l'aumento del tasso di neutrini in T2K, non è ancora chiaro se la simmetria PC sia violata o meno. Per migliorare ulteriormente la sensibilità sperimentale a un potenziale effetto di violazione della simmetria CP, la collaborazione T2K aggiornerà la suite di rivelatori vicini per ridurre le incertezze sistematiche e accumulare più dati, e J-PARC aumenterà l'intensità del raggio aggiornando l'acceleratore e la linea di luce.


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