Gli scienziati studiano minuscole particelle chiamate neutrini per scoprire come si è evoluto il nostro universo. Queste particelle, noto per essere difficile da rilevare, potrebbe raccontare la storia di come la materia abbia vinto sull'antimateria una frazione di secondo dopo il Big Bang e, di conseguenza, perché siamo qui a tutti.

Andare in fondo a quella storia di una frazione di secondo significa scoprire le differenze, se del caso, tra il neutrino e la sua controparte di antimateria, l'antineutrino.

L'esperimento sui neutrini MINERvA al Fermilab ha recentemente aggiunto alcuni dettagli ai profili di comportamento di neutrini e antineutrini:gli scienziati hanno misurato la probabilità che queste particelle notoriamente fugaci si fermassero nel rivelatore MINERvA. In particolare, hanno esaminato i casi in cui un antineutrino che interagiva nel rivelatore produceva un'altra particella, un neutrone, quella particella familiare che, insieme al protone, costituisce il nucleo di un atomo.

Gli studi di MINERvA su tali casi avvantaggiano altri esperimenti sui neutrini, che possono utilizzare i risultati per perfezionare le proprie misurazioni di interazioni simili.

È tipico studiare le particelle prodotte dall'interazione di un neutrino (o antineutrino) per ottenere una perla sul comportamento del neutrino. I neutrini sono artisti di fuga senza sforzo, e la loro natura simile a Houdini rende difficile misurare direttamente le loro energie. Navigano senza ostacoli attraverso tutto, anche il piombo. Gli scienziati sono stati informati della rara interazione del neutrino dalla produzione di altri, particelle più facilmente rilevabili. Misurano e sommano le energie di queste particelle in uscita e quindi misurano indirettamente l'energia del neutrino che ha dato il via a tutto.

Questo particolare studio MINERvA—entra antineutrino, foglie di neutroni:è un caso difficile. La maggior parte delle particelle post-interazione deposita le proprie energie nel rivelatore di particelle, lasciando tracce che gli scienziati possono far risalire all'antineutrino originario (o neutrino, nel caso che fosse).

Ma in questo esperimento, il neutrone no. mantiene la sua energia, lasciando quasi nessuno nel rivelatore. Il risultato è un praticamente irrintracciabile, energia non contabilizzata che non può essere facilmente inserita nei libri dell'energia. E sfortunatamente, gli antineutrini sono bravi a produrre neutroni che assorbono energia.

I ricercatori sfruttano al meglio le situazioni di mancanza di energia. predicono, sulla base di altri studi, quanta energia viene persa e correggerla.

Per dare alla comunità scientifica un data-based, strumento predittivo per momenti di energia mancante, MINERvA ha raccolto dati dalla situazione peggiore:un antineutrino colpisce un nucleo nel rivelatore e mette fuori gioco il neutrone non rintracciabile, quindi quasi tutta l'energia conferita al nucleo diventa "puff". (Queste interazioni producono anche particelle cariche positivamente chiamate muoni che segnalano l'interazione antineutrino.) Studiando questo particolare atto di scomparsa, gli scienziati potrebbero misurare direttamente gli effetti dell'energia mancante.

Altri ricercatori possono ora cercare questi effetti, applicare le lezioni apprese a casi simili. Per esempio, ricercatori sul più grande esperimento operativo sui neutrini del Fermilab, NOVA, e l'esperimento giapponese T2K utilizzerà questa tecnica nelle misurazioni degli antineutrini. E l'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino, ospitato dal Fermilab, fulcro di un programma di neutrini leader a livello mondiale, trarrà vantaggio anche da questo una volta che inizierà a raccogliere dati negli anni '20.

Il caso della produzione di neutroni è solo un tipo di interazione di energia mancante, uno dei tanti. Quindi il modello che emerge da questo studio MINERvA è certamente imperfetto. Non può esistere un modello unico per scenari energetici mancanti. Ma fornisce ancora uno strumento utile per mettere insieme l'energia di un neutrino, e questo è un compito difficile, indipendentemente dalle particelle che escono dall'interazione.

"Questa analisi è una grande testimonianza sia della capacità del rivelatore di misurare le interazioni dei neutrini sia della capacità della collaborazione di sviluppare nuove strategie, ", ha affermato Deborah Harris, scienziata del Fermilab e co-portavoce di MINERvA. "Quando abbiamo avviato MINERvA, questa analisi non era nemmeno un barlume negli occhi di nessuno."

C'è un bonus in questo recente studio, pure, uno che rafforza un'indagine condotta lo scorso anno.

Per la precedente indagine, MINERvA si è concentrato sulle interazioni di neutrini (anziché antineutrini) che hanno eliminato le coppie protone-neutrone (invece di neutroni o protoni solitari). In un rivelatore come MINERvA, l'energia di un protone è molto più facile da misurare rispetto a quella di un neutrone, quindi lo studio precedente presumibilmente ha prodotto misurazioni più precise rispetto al recente studio sugli antineutrini.

Quanto erano buone queste misurazioni? Gli scienziati di MINERvA hanno inserito i valori del precedente studio sui neutrini in un modello di questo recente studio sugli antineutrini per vedere cosa sarebbe saltato fuori. guarda ed ecco, l'adeguamento al modello antineutrino ha migliorato la sua capacità di predire i dati.

La combinazione dei due studi fornisce alla comunità della fisica dei neutrini nuove informazioni su come funzionano bene i modelli e dove falliscono. Le ricerche del fenomeno noto come violazione di CP, la cosa che rende la materia speciale rispetto all'antimateria e le ha permesso di vincere nella battaglia post-Big Bang, dipendono dal confronto dei campioni di neutrino e antineutrino e dalla ricerca di piccole differenze. Grande, differenze sconosciute tra i prodotti di reazione del neutrino e dell'antineutrino nasconderebbero la presenza o l'assenza di firme CP.

"Non ci preoccupiamo più delle grandi differenze, e il nostro programma di neutrini può funzionare con piccoli aggiustamenti alle differenze note, " ha detto il fisico Rik Gran dell'Università del Minnesota-Duluth, autore principale su questo risultato.

MINERvA punta su modelli che, ad ogni nuova prova, descrivere meglio sia i dati dei neutrini che quelli degli antineutrini, e quindi la storia di come è nato l'universo.

Questi risultati sono apparsi il 1 giugno 2018, in Lettere di revisione fisica .