Analizzando i dati raccolti oltre otto anni fa, gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e del Fermi National Accelerator Laboratory hanno fatto una scoperta potenzialmente rivoluzionaria.

Nel 2002, gli scienziati hanno iniziato l'esperimento Booster Neutrino, noto come MiniBooNE, al Fermilab per saperne di più su come i neutrini, molto leggeri, particelle fondamentali neutre:interagiscono con la materia. Gli scienziati hanno recentemente riesaminato i dati dell'esperimento effettuato tra il 2009 e il 2011, e trovarono la prima prova diretta di neutrini mono-energetici, o neutrini con energia definita, abbastanza energetici da produrre un muone.

I neutrini sono estremamente leggeri e sono influenzati solo dalla debole forza subatomica, quindi raramente interagiscono con la materia. Infatti, potevano viaggiare attraverso anni luce di piombo prima di interagire con esso. Le particelle sono molto difficili da rilevare, ma non difficile da creare. A causa dell'inafferrabilità del neutrino, gli scienziati devono lavorare con fasci composti da un gran numero di particelle. Sparano i raggi sui nuclei in un rivelatore, sperando che i neutrini entrino in collisione con il materiale bersaglio.

"Una complicazione dell'uso di questi grandi fasci è che le energie dei neutrini sono molto varie e in qualche modo imprevedibili, " ha detto il fisico di Argonne Joe Grange, uno degli scienziati che ha aiutato a scoprire i neutrini mono-energetici. "Questo rende difficile interpretare completamente i dati".

La nuova scoperta potrebbe aiutare gli sperimentatori a risolvere questo problema. Gli scienziati si sono resi conto che i neutrini mono-energetici venivano rilasciati da una vicina linea di luce di neutrini al Fermilab, e hanno deciso di esaminare i dati MiniBooNE per vedere se qualcuno di questi neutrini è stato rilevato durante quell'esperimento.

Abbastanza sicuro, l'analisi dei dati MiniBooNE ha mostrato prove di migliaia di collisioni neutrino-nucleo in cui i neutrini sono partiti tutti con la stessa energia, 236 mega-elettronvolt (MeV). Durante l'esperimento MiniBooNE, le particelle chiamate kaoni create in un assorbitore di protoni di un altro esperimento sono decadute in particelle chiamate muoni e neutrini muonici. I neutrini muonici hanno poi viaggiato verso il rivelatore MiniBooNE. Perché i kaon erano a riposo quando decaddero, e poiché sono decaduti in due sole particelle, i neutrini avevano tutti la stessa quantità di energia iniziale prima di entrare in collisione con i nuclei nel rivelatore MiniBooNE.

Il decadimento di un kaon è una reazione ben nota. "Con questa scoperta, possiamo migliorare la nostra comprensione di come i neutrini interagiscono con la materia e anche pianificare esperimenti futuri che potrebbero sfruttare questa interazione per la ricerca di nuovi processi fisici, " disse Grange. Incanalare questo decadimento come fonte di neutrini per esperimenti eliminerebbe l'incertezza delle energie dei neutrini, rendere le analisi più semplici e potenzialmente più illuminanti.

Oltre a ispirare futuri allestimenti sperimentali, i dati stanno anche aiutando gli scienziati a conoscere il comportamento dei nuclei quando vengono bombardati con neutrini e possono aiutarli a perfezionare i modelli delle interazioni. Quando un neutrino muonico si scontra con un nucleo in un rivelatore, un muone con una gamma di energie diverse può fuoriuscire. È questo spettro di possibili energie dei nuovi muoni che gli scienziati hanno osservato direttamente in questo studio, e parla del modo in cui il neutrino trasferisce energia al nucleo al contatto.

"È stato fatto molto lavoro sparando elettroni ai nuclei e osservando come si comportano elettromagneticamente, " ha detto Grange. "Ma è stato fatto meno lavoro per vedere come i neutrini interagiscono debolmente a causa di quanto sia difficile lavorare con i neutrini".

L'aspetto sperimentale di questa scoperta potrebbe anche aiutare gli scienziati a cercare il teorizzato neutrino sterile, un neutrino che interagisce solo attraverso la forza gravitazionale e non la forza debole. Un esperimento della metà degli anni '90 presso il Los Alamos National Laboratory del DOE ha prodotto dati sui neutrini incompatibili con i dati di un esperimento separato presso il laboratorio europeo CERN, e quella discrepanza potrebbe essere spiegata dall'esistenza di questa particella "fantasma".

L'obiettivo originale dell'esperimento MiniBooNE era confermare o confutare l'esistenza di neutrini sterili. Sebbene l'esperimento possa risultare inconcludente, la nuova scoperta dalle profondità dei suoi dati potrebbe aiutare i futuri sperimentalisti a rilevarne l'esistenza. Gli scienziati stanno già lavorando a esperimenti che utilizzeranno i neutrini di questo specifico decadimento del kaone per cercare neutrini sterili.

"È una bella storia su come siano passati quasi cinque anni prima che ci rendessimo conto che c'era qualcosa di importante nei dati, " ha detto Grange. "La morale della storia è quella di conservare tutti i dati e continuare a pensare a quali altre informazioni ci sono lì dentro che non hai ancora estratto."

I risultati dello studio sono stati pubblicati in un articolo intitolato "First Measurement of Monoenergetic Muon Neutrino Charged Current Interactions" in Lettere di revisione fisica .