Da più di tre anni, gli scienziati della collaborazione NOvA hanno osservato particelle chiamate neutrini mentre oscillano da un tipo all'altro su una distanza di 500 miglia. Ora, in un nuovo risultato svelato oggi alla conferenza Neutrino 2018 di Heidelberg, Germania, la collaborazione ha annunciato i suoi primi risultati utilizzando antineutrini, e ha visto forti prove di antineutrini muonici che oscillano in antineutrini elettronici su lunghe distanze, un fenomeno che non è mai stato osservato senza ambiguità.

NOVA, con sede presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, è l'esperimento di neutrini a baseline più lungo al mondo. Il suo scopo è scoprire di più sui neutrini, particelle spettrali ma abbondanti che viaggiano attraverso la materia per lo più senza lasciare traccia. L'obiettivo a lungo termine dell'esperimento è cercare somiglianze e differenze nel modo in cui i neutrini e gli antineutrini cambiano da un tipo, in questo caso, muon:in uno degli altri due tipi, elettrone o tau. Misurando con precisione questo cambiamento sia nei neutrini che negli antineutrini, e poi confrontandoli, aiuterà gli scienziati a svelare i segreti che queste particelle nascondono su come funziona l'universo.

NOvA utilizza due grandi rilevatori di particelle, uno più piccolo al Fermilab in Illinois e uno molto più grande a 500 miglia di distanza nel nord del Minnesota, per studiare un fascio di particelle generato dal complesso dell'acceleratore del Fermilab e inviato attraverso la Terra, senza necessità di tunnel.

Il nuovo risultato è tratto dalla prima run di NOvA con antineutrini, la controparte di antimateria dei neutrini. NOvA ha iniziato a studiare gli antineutrini nel febbraio 2017. Gli acceleratori del Fermilab creano un fascio di neutrini muonici (o antineutrini muonici), e il rivelatore lontano di NOvA è progettato specificamente per vedere quelle particelle che si trasformano in neutrini elettronici (o antineutrini elettronici) durante il loro viaggio.

Se gli antineutrini non oscillassero dal tipo muonico al tipo elettronico, gli scienziati si sarebbero aspettati di registrare solo cinque candidati antineutrini elettronici nel rivelatore lontano NOvA durante questa prima esecuzione. Ma quando hanno analizzato i dati, hanno trovato 18, fornendo una forte evidenza che gli antineutrini subiscono questa oscillazione.

"Gli antineutrini sono più difficili da produrre dei neutrini, ed è meno probabile che interagiscano nel nostro rilevatore, " ha detto Peter Shanahan del Fermilab, co-portavoce della collaborazione NOvA. "Questo primo set di dati è una frazione del nostro obiettivo, ma il numero di eventi di oscillazione che vediamo è molto maggiore di quanto ci aspetteremmo se gli antineutrini non oscillassero dal tipo muonico all'elettrone. Dimostra l'impatto che il fascio di particelle ad alta potenza del Fermilab ha sulla nostra capacità di studiare neutrini e antineutrini".

Sebbene sia noto che gli antineutrini oscillano, la trasformazione in antineutrini elettronici su lunghe distanze non è stata ancora osservata in modo definitivo. L'esperimento T2K, situato in Giappone, ha annunciato di aver osservato indizi di questo fenomeno nel 2017. Le collaborazioni NOvA e T2K stanno lavorando per un'analisi combinata dei loro dati nei prossimi anni.

"Con questo primo risultato utilizzando antineutrini, NOvA è passata alla fase successiva del suo programma scientifico, ", ha affermato Jim Siegrist, Direttore Associato per la Fisica delle Alte Energie presso il Dipartimento di Energia dell'Ufficio della Scienza, Jim Siegrist. "Sono lieto di vedere che questo importante esperimento continua a dirci di più su queste affascinanti particelle".

Il nuovo risultato antineutrino di NOvA accompagna un miglioramento dei suoi metodi di analisi, portando a una misurazione più precisa dei suoi dati sui neutrini. Dal 2014 al 2017, NOvA ha visto 58 candidati per interazioni da neutrini muonici trasformarsi in neutrini elettronici, e gli scienziati stanno usando questi dati per avvicinarsi a svelare alcuni dei misteri più intricati di queste particelle sfuggenti.

La chiave del programma scientifico di NOvA è confrontare la velocità con cui appaiono i neutrini elettronici nel rivelatore lontano con la velocità con cui appaiono gli antineutrini elettronici. Una misurazione precisa di tali differenze consentirà a NOvA di raggiungere uno dei suoi principali obiettivi scientifici:determinare quale dei tre tipi di neutrini è il più pesante e quale il più leggero.

I neutrini hanno dimostrato di avere massa, ma gli scienziati non sono stati in grado di misurare direttamente quella massa. Però, con dati sufficienti, possono determinare le masse relative dei tre, un puzzle chiamato l'ordinamento di massa. NOvA sta lavorando per una risposta definitiva a questa domanda. Gli scienziati dell'esperimento continueranno a studiare gli antineutrini fino al 2019 e, negli anni successivi, alla fine raccoglierà quantità uguali di dati da neutrini e antineutrini.

"Questo primo set di dati di antineutrinos è solo l'inizio di quella che promette di essere una corsa entusiasmante, " ha detto la co-portavoce di NOvA Tricia Vahle di William &Mary. "Sono i primi giorni, ma NOvA ci sta già dando nuove intuizioni sui molti misteri dei neutrini e degli antineutrini".