I neutrini sono le più leggere di tutte le particelle conosciute che hanno massa. Eppure il loro comportamento mentre viaggiano potrebbe aiutare a rispondere a uno dei più grandi enigmi della fisica:perché l'universo attuale è fatto principalmente di materia quando il Big Bang avrebbe dovuto produrre quantità uguali di materia e antimateria. In due recenti articoli, la collaborazione NA61/SHINE riporta misurazioni di particelle che sono cruciali per esperimenti basati su acceleratori che studiano tale comportamento di neutrini.

I neutrini sono di tre tipi, o "sapori, " e gli esperimenti sui neutrini stanno misurando con sempre maggiore dettaglio come essi e le loro controparti di antimateria, antineutrini, "oscillano" da un sapore all'altro mentre viaggiano. Se risulta che neutrini e antineutrini oscillano in modo diverso tra loro, questo può in parte spiegare l'attuale squilibrio materia-antimateria.

Gli esperimenti sui neutrini basati su acceleratori cercano le oscillazioni dei neutrini producendo un fascio di neutrini di un sapore e misurando il fascio dopo che ha percorso una lunga distanza. I fasci di neutrini sono tipicamente prodotti sparando un fascio di protoni ad alta energia in lunghi, bersagli sottili di carbonio o berillio. Queste interazioni protone-bersaglio producono adroni, come pioni e kaoni, che vengono focalizzati utilizzando trombe magnetiche in alluminio e diretti in lunghi tunnel, in cui si trasformano in neutrini e altre particelle.

Per ottenere una misura affidabile delle oscillazioni dei neutrini, i ricercatori che lavorano su questi esperimenti devono stimare il numero di neutrini nel fascio prima dell'oscillazione e come questo numero varia con l'energia delle particelle. Stimare questo "flusso di neutrini" è difficile, perché i neutrini interagiscono molto debolmente con altre particelle e non possono essere misurati facilmente. Per aggirare questo, i ricercatori stimano invece il numero di adroni. Ma misurare il numero di adroni è anche impegnativo, perché ce ne sono troppi per misurarli con precisione.

È qui che entrano in gioco esperimenti come NA61/SHINE al Super Proton Synchrotron del CERN. NA61/SHINE può riprodurre le interazioni protone-bersaglio che generano gli adroni che si trasformano in neutrini. Può anche riprodurre le interazioni successive che i protoni e gli adroni subiscono nei bersagli e nelle corna di focalizzazione. Queste interazioni successive possono produrre ulteriori adroni che producono neutrini.

La collaborazione NA61/SHINE ha precedentemente misurato gli adroni generati in esperimenti a 31 GeV/c di energia protonica (dove c è la velocità della luce) per aiutare a prevedere il flusso di neutrini nell'esperimento di oscillazione del neutrino Tokai-to-Kamioka (T2K) in Giappone . La collaborazione ha anche raccolto dati a energie di 60 e 120 GeV/c a beneficio di MINERνA, Esperimenti NOνA e DUNE al Fermilab negli USA. L'analisi di questi set di dati sta procedendo bene e ha recentemente portato a due documenti:uno che descrive le misurazioni delle interazioni dei protoni con il carbonio, berillio e alluminio, e un altro che riporta misurazioni delle interazioni dei pioni con carbonio e berillio.

"Questi risultati sono cruciali per gli esperimenti sui neutrini del Fermilab, "dice Laura Campi, un membro della collaborazione NA61/SHINE e co-portavoce per MINERνA. "Per prevedere i flussi di neutrini per questi esperimenti, i ricercatori hanno bisogno di una simulazione estremamente dettagliata dell'intera linea di luce e di tutte le interazioni che avvengono al suo interno. Per quella simulazione abbiamo bisogno di conoscere la probabilità che ogni tipo di interazione accada, le particelle che verranno prodotte, e le loro proprietà. Quindi le misurazioni di interazione come quelle più recenti saranno fondamentali per rendere queste simulazioni molto più accurate, " spiega.

"Guardando al futuro, NA61/SHINE si concentrerà sulle misurazioni per la prossima generazione di esperimenti di oscillazione dei neutrini, inclusi DUNE e T2HK in Giappone, per consentire a questi esperimenti di produrre risultati di alta precisione nella fisica dei neutrini, "Conclude Campi.