Il layout e le principali caratteristiche della struttura sperimentale KATRIN presso il Karlsruhe Institute of Technology. Credito:Istituto di tecnologia di Karlsruhe
Un team internazionale di scienziati ha annunciato una svolta nella sua ricerca per misurare la massa del neutrino, uno dei più abbondanti, eppure sfuggente, particelle elementari nel nostro universo.
Alla conferenza Topics in Astroparticle and Underground Physics del 2019 a Toyama, Giappone, i leader dell'esperimento KATRIN hanno riferito il 13 settembre che l'intervallo stimato per la massa a riposo del neutrino non è maggiore di 1 elettronvolt, o eV. Questi risultati inaugurali ottenuti all'inizio di quest'anno dall'esperimento Karlsruhe Tritium Neutrino—o KATRIN—hanno tagliato l'intervallo di massa del neutrino di oltre la metà abbassando il limite superiore della massa del neutrino da 2 eV a 1 eV. Il limite inferiore per la massa del neutrino, 0,02 eV, è stato fissato da precedenti esperimenti di altri gruppi.
"Conoscere la massa del neutrino consentirà agli scienziati di rispondere a domande fondamentali in cosmologia, astrofisica e fisica delle particelle, come come si è evoluto l'universo o quale fisica esiste oltre il Modello Standard, " ha detto Hamish Robertson, uno scienziato KATRIN e professore emerito di fisica presso l'Università di Washington. "Questi risultati della collaborazione KATRIN riducono il precedente intervallo di massa per il neutrino di un fattore due, porre criteri più rigorosi su quale sia effettivamente la massa del neutrino, e fornire un percorso in avanti per misurare il suo valore in modo definitivo."
L'esperimento KATRIN ha sede presso l'Istituto di tecnologia di Karlsruhe in Germania e coinvolge ricercatori di 20 istituti di ricerca in tutto il mondo. Oltre all'Università di Washington, Le istituzioni membri di KATRIN negli Stati Uniti sono:
Sotto Robertson e Wilkerson, l'Università di Washington è diventata uno degli istituti membri fondatori di KATRIN nel 2001. Wilkerson in seguito si è trasferito all'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill. Formaggio e Parno hanno iniziato il loro coinvolgimento con KATRIN come ricercatori UW e successivamente si sono trasferiti nelle loro attuali istituzioni. Oltre a Robertson, altri attuali scienziati UW che lavorano all'esperimento KATRIN sono il professore di fisica Peter Doe, ricercatore, ricercatore professore associato di fisica Sanshiro Enomoto e Menglei Sun, ricercatore post-dottorato presso il Centro UW di Fisica Nucleare Sperimentale e Astrofisica.
I neutrini sono abbondanti. Sono una delle particelle fondamentali più comuni nel nostro universo, secondo solo ai fotoni. Eppure anche i neutrini sono sfuggenti. Sono particelle neutre prive di carica e interagiscono con altra materia solo attraverso l'adeguatamente chiamata "interazione debole, " il che significa che le opportunità di rilevare i neutrini e misurarne la massa sono sia rare che difficili.
Lo spettrometro per l'esperimento KATRIN, mentre attraversa la città tedesca di Eggenstein-Leopoldshafen nel 2006 verso il vicino Karlsruhe Institute of Technology. Credito:Istituto di tecnologia di Karlsruhe
"Se riempissi il sistema solare di piombo fino a cinquanta volte oltre l'orbita di Plutone, circa la metà dei neutrini emessi dal sole lascerebbe comunque il sistema solare senza interagire con quel piombo, " ha detto Robertson.
I neutrini sono anche particelle misteriose che hanno già scosso la fisica, cosmologia e astrofisica. Il Modello Standard della fisica delle particelle una volta aveva predetto che i neutrini non avrebbero dovuto avere massa. Ma nel 2001, gli scienziati avevano dimostrato con due rilevatori, Super-Kamiokande e l'Osservatorio sui neutrini di Sudbury, che in realtà hanno una massa diversa da zero, una svolta riconosciuta nel 2015 con il Premio Nobel per la fisica. I neutrini hanno massa, ma quanto?
"Risolvere la massa del neutrino ci porterebbe in un nuovo mondo coraggioso di creazione di un nuovo Modello Standard, " disse Doe.
La scoperta KATRIN nasce da una diretta, misurazioni ad alta precisione di come un raro tipo di coppia elettrone-neutrino condivide l'energia. Questo approccio è lo stesso degli esperimenti di massa di neutrini degli anni '90 e dei primi anni 2000 a Magonza, Germania, e Troitsk, Russia, entrambi fissano il precedente limite superiore della massa a 2 eV. Il cuore dell'esperimento KATRIN è la sorgente che genera coppie elettrone-neutrino:trizio gassoso, un isotopo altamente radioattivo dell'idrogeno. Quando il nucleo di trizio subisce un decadimento radioattivo, emette una coppia di particelle:un elettrone e un neutrino, entrambi condividono 18, 560 eV di energia.
Gli scienziati di KATRIN non possono misurare direttamente i neutrini, ma possono misurare gli elettroni, e prova a calcolare le proprietà dei neutrini in base alle proprietà degli elettroni.
La maggior parte delle coppie elettrone-neutrino emesse dal trizio condividono equamente il loro carico energetico. Ma in rari casi, l'elettrone prende quasi tutta l'energia, lasciando solo una piccola quantità per il neutrino. Quelle rare coppie sono ciò che gli scienziati di KATRIN cercano perché, grazie a E =mc2, gli scienziati sanno che la minuscola quantità di energia rimasta per il neutrino deve includere la sua massa a riposo. Se KATRIN può misurare con precisione l'energia dell'elettrone, possono calcolare l'energia del neutrino e quindi la sua massa.
La sorgente di trizio genera circa 25 miliardi di coppie elettrone-neutrino al secondo, solo una frazione delle quali sono coppie in cui l'elettrone prende quasi tutta l'energia di decadimento. Lo stabilimento KATRIN di Karlsruhe utilizza una complessa serie di magneti per incanalare l'elettrone lontano dalla sorgente di trizio e verso uno spettrometro elettrostatico, che misura l'energia degli elettroni con alta precisione. Un potenziale elettrico all'interno dello spettrometro crea un "gradiente energetico" che gli elettroni devono "salire" per passare attraverso lo spettrometro per il rilevamento. La regolazione del potenziale elettrico consente agli scienziati di studiare i rari, elettroni ad alta energia, che portano informazioni sulla massa del neutrino.
In questa immagine del 2010, i membri dell'esperimento KATRIN posano davanti allo spettrometro dopo che è stato installato al Karlsruhe Institute of Technology. Credito:Joachim Wolf/Karlsruhe Institute of Technology
Le istituzioni statunitensi hanno dato ampi contributi a KATRIN, inclusa la fornitura del sistema rivelatore di elettroni, l'"occhio" di KATRIN, che guarda nel cuore dello spettrometro, uno strumento costruito all'UW. L'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill ha guidato lo sviluppo del sistema di acquisizione dati del rivelatore, i "cervelli" di KATRIN. Il contributo del MIT è stato la progettazione e lo sviluppo del software di simulazione utilizzato per modellare la risposta di KATRIN. Il Lawrence Berkeley National Laboratory ha contribuito alla creazione del programma di analisi fisica e ha fornito l'accesso alle strutture informatiche nazionali, e l'analisi rapida è stata resa possibile da una suite di applicazioni che ha avuto origine presso l'UW. La Case Western Reserve University è stata responsabile della progettazione del cannone elettronico, fondamentale per la calibrazione dell'apparato KATRIN. La Carnegie Mellon University ha contribuito principalmente all'analisi, con particolare attenzione allo sfondo e al montaggio, e assistito nel coordinamento dell'analisi per l'esperimento.
Con l'acquisizione dei dati del trizio ora in corso, Le istituzioni statunitensi si concentrano sull'analisi di questi dati per migliorare ulteriormente la nostra comprensione della massa dei neutrini. Questi sforzi possono anche rivelare l'esistenza di neutrini sterili, un possibile candidato per la materia oscura che, pur rappresentando l'85% della materia nell'universo, rimane inosservato.
"KATRIN non è solo un faro splendente di ricerca fondamentale e uno strumento high-tech straordinariamente affidabile, ma anche motore di cooperazione internazionale, che fornisce una formazione di prim'ordine a giovani ricercatori, ", hanno dichiarato i co-portavoce di KATRIN Guido Drexlin del Karlsruhe Institute of Technology e Christian Weinheimer dell'Università di Münster in una dichiarazione.
Ora che gli scienziati di KATRIN hanno fissato un nuovo limite superiore per la massa del neutrino, gli scienziati del progetto stanno lavorando per restringere ulteriormente la gamma.
"I neutrini sono strane piccole particelle, " ha detto Doe. "Sono così onnipresenti, e c'è così tanto che possiamo imparare una volta determinato questo valore."
L'Ufficio di Fisica Nucleare del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha finanziato la partecipazione degli Stati Uniti all'esperimento KATRIN dal 2007.
