spettrometro di KATRIN, mostrato qui, misura con precisione l'energia degli elettroni emessi nel decadimento del trizio, che ha aiutato gli scienziati ad avvicinarsi alla determinazione della massa del neutrino fantasma. Credito:Collaborazione KATRIN
Un team internazionale di scienziati, compresi i ricercatori del MIT, si è avvicinato a fissare la massa dell'inafferrabile neutrino. Queste particelle simili a fantasmi permeano l'universo e tuttavia si pensa che siano quasi prive di massa, scorrendo a milioni attraverso i nostri corpi lasciando a malapena qualsiasi traccia fisica.
I ricercatori hanno determinato che la massa del neutrino non dovrebbe essere superiore a 1 elettronvolt. Gli scienziati avevano precedentemente stimato che il limite superiore della massa del neutrino fosse di circa 2 elettronvolt, quindi questa nuova stima riduce di oltre la metà l'intervallo di massa del neutrino.
La nuova stima è stata determinata sulla base dei dati presi da KATRIN, l'esperimento del neutrino trizio di Karlsruhe, al Karlsruhe Institute of Technology in Germania, e riportato alla Conferenza 2019 sulle astroparticelle e la fisica sotterranea la scorsa settimana. L'esperimento innesca il decadimento del gas trizio, che a sua volta rilascia neutrini, insieme agli elettroni. Mentre i neutrini si dissipano rapidamente, La sequenza di magneti di KATRIN dirige gli elettroni del trizio nel cuore dell'esperimento:uno spettrometro gigante da 200 tonnellate, dove si possono misurare la massa e l'energia degli elettroni, e da lì, i ricercatori possono calcolare la massa dei corrispondenti neutrini.
Giuseppe Formaggio, professore di fisica al MIT, è un membro di spicco del gruppo sperimentale KATRIN, e ha parlato con MIT News della nuova stima e della strada da percorrere nella ricerca dei neutrini.
D:Il neutrino, sulla base dei risultati di KATRIN, non può essere più massiccio di 1 elettronvolt. Metti questo contesto per noi:com'è leggero questo, e quanto è importante che la massa massima del neutrino possa essere la metà di ciò che la gente pensava in precedenza?
Un pozzo, è una domanda un po' difficile, poiché le persone (me compreso) non hanno davvero un senso intuitivo di quale sia la massa di qualsiasi particella, ma proviamo. Considera qualcosa di molto piccolo, come un virus. Ogni virus è composto da circa 10 milioni di protoni. Ogni protone pesa circa 2, 000 volte più di ogni elettrone all'interno di quel virus. E ciò che i nostri risultati hanno mostrato è che il neutrino ha una massa inferiore a 1/500, 000 di un singolo elettrone.
Mettiamola in un altro modo. In ogni centimetro cubo di spazio intorno a te, ci sono circa 300 neutrini che sfrecciano attraverso. Questi sono i resti dell'universo primordiale, subito dopo il Big Bang. Se sommassi tutti i neutrini che risiedono all'interno del sole, otterresti circa un chilogrammo o meno. Così, Sì, è piccolo.
D:Cosa ha determinato questo nuovo limite di massa per il neutrino, e qual è stato il ruolo del MIT nella ricerca?
A:Questo nuovo limite di massa deriva dallo studio del decadimento radioattivo del trizio, un isotopo dell'idrogeno. Quando il trizio decade, produce uno ione elio-3, un elettrone, e un antineutrino. In realtà non vediamo mai l'antineutrino, però; l'elettrone trasporta informazioni sulla massa del neutrino. Studiando la distribuzione energetica degli elettroni espulsi alle massime energie consentite, possiamo dedurre la massa del neutrino, grazie all'equazione di Einstein, E=mc 2 .
Però, studiare quegli elettroni ad alta energia è molto difficile. Per una cosa, tutte le informazioni sul neutrino sono incorporate in una piccola frazione dello spettro:meno di 1 miliardesimo di decadimenti è utile per questa misurazione. Così, abbiamo bisogno di un sacco di scorte di trizio. Dobbiamo anche misurare l'energia di quegli elettroni molto, molto preciso. Questo è il motivo per cui l'esperimento KATRIN è così difficile da costruire. La nostra primissima misurazione presentata oggi è il culmine di quasi due decenni di duro lavoro e pianificazione.
Il MIT si è unito all'esperimento KATRIN quando sono arrivato a Boston nel 2005. Il nostro gruppo ha contribuito a sviluppare gli strumenti di simulazione per comprendere la risposta del nostro rivelatore all'alta precisione. Più recentemente, siamo stati coinvolti nello sviluppo di strumenti per analizzare i dati raccolti dall'esperimento.
D:Perché la massa di un neutrino è importante, e cosa ci vorrà per azzerare la sua massa esatta?
R:Il fatto che i neutrini abbiano una massa è stata una sorpresa per molti fisici. I nostri modelli precedenti prevedevano che il neutrino avrebbe dovuto avere massa esattamente zero, un'ipotesi smentita dalla scoperta che i neutrini oscillano tra tipi diversi. Ciò significa che non comprendiamo veramente il meccanismo responsabile delle masse di neutrini, ed è probabile che sia molto diverso da come le altre particelle raggiungono la massa. Anche, il nostro universo è pieno di neutrini primordiali del Big Bang. Anche una piccola massa ha un impatto significativo sulla struttura e sull'evoluzione dell'universo perché sono così abbondanti.
Questa misurazione rappresenta solo l'inizio della misurazione di KATRIN. Con appena un mese di dati, siamo stati in grado di migliorare i precedenti limiti sperimentali di un fattore due. Nei prossimi anni, questi limiti miglioreranno costantemente, si spera che si traduca in un segnale positivo (piuttosto che solo un limite). Ci sono anche una serie di altri esperimenti diretti di massa di neutrini all'orizzonte che sono in competizione per raggiungere una maggiore sensibilità, e con esso, scoperta.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
