Nel 2009, il fisico applicato Peter Sturrock era in visita al National Solar Observatory di Tucson, Arizona, quando il vicedirettore dell'osservatorio gli disse che avrebbe dovuto leggere un articolo controverso sul decadimento radioattivo. Sebbene il soggetto fosse fuori dal campo di Sturrock, ha ispirato un pensiero così intrigante che il giorno dopo ha telefonato all'autore dello studio, Il fisico della Purdue University Ephraim Fischbach, per suggerire una collaborazione.

Fischbach ha risposto, "Stavamo per telefonarti."

Più di sette anni dopo, che la collaborazione potrebbe portare a un dispositivo da tavolo economico per rilevare i neutrini sfuggenti in modo più efficiente ed economico di quanto sia attualmente possibile, e potrebbe semplificare la capacità degli scienziati di studiare il funzionamento interno del sole. Il lavoro è stato pubblicato nel numero del 7 novembre di Fisica solare .

"Se abbiamo ragione, significa che i neutrini sono molto più facili da rilevare di quanto la gente abbia pensato, " disse Sturrock, professore emerito di fisica applicata. "Tutti pensavano che sarebbe stato necessario fare enormi esperimenti, con migliaia di tonnellate di acqua o altro materiale, che può comportare enormi consorzi e enormi spese, e potresti ottenere qualche migliaio di conteggi all'anno. Ma potremmo ottenere dati simili o addirittura migliori da un esperimento che coinvolge solo microgrammi di materiale radioattivo".

Come mai, come studiamo i neutrini

Per vent'anni, Sturrock e il suo collega Jeff Scargle, astrofisico e data scientist presso il NASA Ames Research Center, hanno studiato i neutrini, particelle subatomiche senza carica elettrica e massa quasi nulla, che può essere usato per conoscere l'interno del sole.

Le reazioni nucleari nel nucleo solare producono neutrini. Una caratteristica unica dei neutrini è che interagiscono raramente con altre particelle e quindi possono sfuggire facilmente al sole, portandoci informazioni sul profondo interno solare. Si ritiene che lo studio dei neutrini sia il modo migliore per ottenere informazioni dirette sul centro del sole, che altrimenti è in gran parte un mistero. I neutrini possono anche darci informazioni sulle supernove, la creazione dell'universo e molto altro ancora.

Sulla terra, un'area delle dimensioni di un'unghia è attraversata da 65 miliardi di neutrini ogni secondo. Ma solo uno o due in un'intera vita si fermeranno effettivamente nei nostri corpi. Lo studio dei neutrini comporta enormi attrezzature e spese per intrappolare una quantità sufficiente di particelle sfuggenti per l'indagine.

Attualmente, il gold standard per il rilevamento dei neutrini è il giapponese Super-Kamiokande, un magnifico osservatorio da 100 milioni di dollari. In uso dal 1996, Super-Kamiokande mente 1, 000 metri sotto terra. Consiste in un serbatoio riempito con 50, 000 tonnellate di acqua ultrapura, circondato da circa 13, 000 tubi fotomoltiplicatori. Se un neutrino entra nell'acqua e interagisce con elettroni o nuclei lì, risulta in una particella carica che si muove più velocemente della velocità della luce nell'acqua. Questo porta a un'onda d'urto ottica, un cono di luce chiamato radiazione di Cherenkov. Questa luce viene proiettata sulla parete della vasca e registrata dai tubi fotomoltiplicatori.

Sfide passate nel rilevamento

Il Premio Nobel per la Fisica 2002 è stato assegnato a Masatoshi Koshiba di Super-Kamiokande e Raymond Davis Jr. di Homestake Neutrino Observatory per lo sviluppo di rivelatori di neutrini e "per la rivelazione di neutrini cosmici". Un dettaglio sconcertante di questo lavoro era che, con i loro metodi di rilevamento innovativi, stavano rilevando da un terzo a metà del numero di neutrini previsto, un problema noto come "problema del neutrino solare". Inizialmente si pensava che questo deficit fosse dovuto a problemi sperimentali. Ma, una volta confermato da Super-Kamiokande, il deficit è stato accettato come reale.

L'anno prima del Nobel, però, gli scienziati hanno annunciato una soluzione al problema del neutrino solare. Si è scoperto che i neutrini oscillano tra tre forme (elettrone, muone e tau) e i rivelatori erano principalmente sensibili solo ai neutrini elettronici. Per la scoperta di queste oscillazioni, il Premio Nobel 2015 per la Fisica è stato assegnato a Takaaki Kajita di Super-Kamiokande e Arthur B. MacDonald del Sudbury Neutrino Observatory.

Anche con questi sviluppi degni di un premio Nobel nella ricerca e nelle attrezzature a loro disposizione, gli scienziati possono ancora rilevare solo poche migliaia di eventi di neutrini ogni anno.

Una nuova opzione per la ricerca

La ricerca che Sturrock ha appreso a Tucson riguardava le fluttuazioni nel tasso di decadimento degli elementi radioattivi. Le fluttuazioni erano molto controverse all'epoca perché si pensava che il tasso di decadimento di qualsiasi elemento radioattivo fosse costante. Sturrock decise di studiare questi risultati sperimentali usando tecniche analitiche che lui e Scargle avevano sviluppato per studiare i neutrini.

Nell'esaminare le fluttuazioni del decadimento radioattivo, il team ha trovato prove che quelle fluttuazioni corrispondevano ai modelli che avevano trovato nei dati sui neutrini Super-Kamiokande, ciascuno indicante un'oscillazione di un mese attribuibile alla rotazione solare. La conclusione probabile è che i neutrini del sole influiscano direttamente sui decadimenti beta. Questa connessione è stata teorizzata da altri ricercatori risalenti a 25 anni fa, ma l'analisi di Sturrock-Fischbach-Scargle aggiunge la prova più forte finora. Se questa relazione regge, potrebbe essere in corso una rivoluzione nella ricerca sui neutrini.

"Significa che c'è un altro modo per studiare i neutrini che è molto più semplice e molto meno costoso dei metodi attuali, " ha detto Sturrock. "Alcuni dati, alcune informazioni, non otterrai dai decadimenti beta, ma solo da esperimenti come Super-Kamiokande. Però, lo studio della variabilità del decadimento beta indica che esiste un altro modo per rilevare i neutrini, uno che ti dà una visione diversa dei neutrini e del sole."

Sturrock ha detto che questo potrebbe segnare l'inizio di un nuovo campo nella ricerca sui neutrini e nella fisica solare. Lui e Fischbach vedono la possibilità di rivelatori da banco che costerebbero migliaia anziché milioni di dollari.

I prossimi passi per ora saranno raccogliere dati migliori e più numerosi e lavorare verso una teoria che possa spiegare come tutti questi processi fisici sono collegati.