I neutrini sono disponibili in tre gusti costituiti da un mix di tre masse di neutrini. Mentre le differenze tra le masse sono note, Finora erano disponibili poche informazioni sulla massa delle specie più leggere.

È importante comprendere meglio i neutrini e i processi attraverso i quali ottengono la loro massa poiché potrebbero rivelare segreti sull'astrofisica, compreso il modo in cui l'universo è tenuto insieme, perché si sta espandendo e di cosa è fatta la materia oscura.

Primo autore, Dr. Arthur Loureiro (UCL Fisica e Astronomia), ha detto:"Cento miliardi di neutrini volano attraverso il tuo pollice dal Sole ogni secondo, anche di notte. Questi sono fantasmi debolmente interattivi di cui sappiamo poco. Quello che sappiamo è che mentre si muovono, possono cambiare tra i loro tre sapori, e questo può accadere solo se almeno due delle loro masse sono diverse da zero".

"I tre gusti possono essere paragonati al gelato in cui hai una pallina contenente fragola, cioccolato e vaniglia. Tre gusti sempre presenti ma in proporzioni diverse, e il rapporto variabile - e lo strano comportamento della particella - può essere spiegato solo dai neutrini che hanno una massa".

Il concetto che i neutrini abbiano massa è relativamente nuovo con la scoperta nel 1998 che ha valso al professor Takaaki Kajita e al professor Arthur B. McDonald il premio Nobel per la fisica 2015. Comunque, il Modello Standard utilizzato dalla fisica moderna deve ancora essere aggiornato per assegnare una massa ai neutrini.

Lo studio, pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica dai ricercatori dell'UCL, Universidade Federal di Rio de Janeiro, Institut d'Astrophysique de Paris e Universidade de Sao Paulo, stabilisce per la prima volta un limite superiore per la massa del neutrino più leggero. La particella potrebbe tecnicamente non avere massa poiché un limite inferiore deve ancora essere determinato.

Il team ha utilizzato un approccio innovativo per calcolare la massa dei neutrini utilizzando i dati raccolti sia dai cosmologi che dai fisici delle particelle. Ciò includeva l'utilizzo dei dati di 1,1 milioni di galassie del Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) per misurare il tasso di espansione dell'universo, e vincoli da esperimenti con acceleratori di particelle.

"Abbiamo usato informazioni da una varietà di fonti, inclusi telescopi spaziali e terrestri che osservano la prima luce dell'Universo (la radiazione cosmica di fondo a microonde), stelle che esplodono, la più grande mappa tridimensionale delle galassie dell'Universo, acceleratori di particelle, reattori nucleari, e altro ancora, " ha detto il dottor Loureiro.

"Poiché i neutrini sono abbondanti ma piccoli e sfuggenti, avevamo bisogno di ogni conoscenza disponibile per calcolare la loro massa e il nostro metodo potrebbe essere applicato ad altre grandi questioni che sconcertano sia i cosmologi che i fisici delle particelle".

I ricercatori hanno utilizzato le informazioni per preparare un quadro in cui modellare matematicamente la massa dei neutrini e hanno utilizzato il supercomputer di UCL, Adornare, calcolare la massa massima possibile del neutrino più leggero in 0,086 eV (95% CI), che equivale a 1,5 x 10-37 Kg. Hanno calcolato che tre aromi di neutrini insieme hanno un limite superiore di 0,26 eV (IC 95%).

Secondo autore, dottorato di ricerca studente Andrei Cuceu (UCL Fisica e Astronomia), ha dichiarato:"Abbiamo utilizzato più di mezzo milione di ore di calcolo per elaborare i dati; ciò equivale a quasi 60 anni su un singolo processore. Questo progetto ha spinto i limiti per l'analisi dei big data in cosmologia".

Il team afferma che capire come si può stimare la massa dei neutrini è importante per futuri studi cosmologici come DESI ed Euclid, che coinvolgono entrambe squadre di tutta l'UCL.

Il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) studierà la struttura su larga scala dell'universo e il suo contenuto di energia oscura e materia oscura con un'elevata precisione. Euclid è un nuovo telescopio spaziale sviluppato con l'Agenzia spaziale europea per mappare la geometria dell'Universo oscuro e l'evoluzione delle strutture cosmiche.

Professor Ofer Lahav (UCL Fisica e Astronomia), co-autore dello studio e presidente del UK Consortiums of the Dark Energy Survey e DESI ha dichiarato:"È impressionante che l'ammasso di galassie su scale enormi possa dirci della massa del neutrino più leggero, un risultato di fondamentale importanza per la fisica. Questo nuovo studio dimostra che siamo sulla buona strada per misurare effettivamente le masse dei neutrini con la prossima generazione di indagini spettroscopiche di grandi galassie, come DESI, Euclide e altri".

Arthur Loureiro et al., "Sul limite superiore delle masse di neutrini da osservazioni cosmologiche combinate ed esperimenti di fisica delle particelle" sarà pubblicato in Lettere di revisione fisica giovedì 22 agosto 2019.