Tra le sfide più entusiasmanti della fisica moderna c'è l'identificazione dell'ordinamento di massa dei neutrini. I fisici del Cluster of Excellence PRISMA+ della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) svolgono un ruolo di primo piano in un nuovo studio che indica che il puzzle dell'ordinamento della massa dei neutrini potrebbe finalmente essere risolto nei prossimi anni. Ciò sarà possibile grazie alle prestazioni combinate di due nuovi esperimenti sui neutrini in cantiere:l'aggiornamento dell'esperimento IceCube al Polo Sud e l'Osservatorio di neutrini sotterraneo di Jiangmen (JUNO) in Cina. Presto daranno ai fisici l'accesso a dati molto più sensibili e complementari sull'ordinamento di massa dei neutrini.

I neutrini sono i camaleonti tra le particelle elementari

I neutrini sono prodotti da fonti naturali, all'interno del sole o di altri oggetti astronomici, per esempio, ma anche in grandi quantità dalle centrali nucleari. Però, possono passare attraverso la materia normale, come il corpo umano, praticamente senza ostacoli senza lasciare traccia della loro presenza. Ciò significa che sono necessari metodi estremamente complessi che richiedono l'uso di rivelatori massicci per osservare le rare reazioni occasionali in cui sono coinvolte queste "particelle fantasma".

I neutrini sono di tre tipi diversi:elettroni, neutrini muonici e tau. Possono cambiare da un tipo all'altro, un fenomeno che gli scienziati chiamano "oscillazione del neutrino". È possibile determinare la massa delle particelle dalle osservazioni dei modelli di oscillazione. Da anni ormai, i fisici hanno cercato di stabilire quale dei tre neutrini sia il più leggero e quale sia il più pesante. Prof. Michael Wurm, un fisico presso il PRISMA+ Cluster of Excellence e l'Istituto di Fisica presso JGU, che sta svolgendo un ruolo strumentale nella creazione dell'esperimento JUNO in Cina, spiega:"Riteniamo che rispondere a questa domanda contribuirà in modo significativo a consentirci di raccogliere dati a lungo termine sulla violazione della simmetria materia-antimateria nel settore dei neutrini. Quindi, utilizzando questi dati, speriamo di scoprire una volta per tutte perché materia e antimateria non si sono completamente annientate a vicenda dopo il Big Bang".

La cooperazione globale paga

Entrambi gli esperimenti su larga scala utilizzano metodi molto diversi e complementari per risolvere l'enigma dell'ordinamento della massa dei neutrini. "Un approccio ovvio è combinare i risultati attesi di entrambi gli esperimenti, " sottolinea il prof. Sebastian Böser, anche dal PRISMA+ Cluster of Excellence e dall'Institute of Physics di JGU, che ricerca i neutrini ed è uno dei principali contributori all'esperimento IceCube.

Detto fatto. Nell'ultimo numero della rivista Revisione fisica D , i ricercatori dell'IceCube e della collaborazione JUNO hanno pubblicato un'analisi combinata dei loro esperimenti. Per questo, gli autori hanno simulato i dati sperimentali previsti in funzione del tempo di misurazione per ciascun esperimento. I risultati variano a seconda che le masse dei neutrini siano nel loro ordine normale o invertito (invertito). Prossimo, i fisici hanno effettuato un test statistico, in cui hanno applicato un'analisi combinata ai risultati simulati di entrambi gli esperimenti. Ciò ha rivelato il grado di sensibilità con cui entrambi gli esperimenti combinati potevano prevedere l'ordine corretto, o meglio escludere l'ordine sbagliato. Poiché i modelli di oscillazione osservati in JUNO e IceCube dipendono dall'effettivo ordinamento della massa del neutrino in un modo specifico per ciascun esperimento, il test combinato ha un potere discriminante significativamente superiore ai singoli risultati sperimentali. La combinazione consentirà quindi di escludere definitivamente l'errata ordinazione della massa di neutrini entro un periodo di misurazione compreso tra tre e sette anni.

"In questo caso, il tutto è veramente più della somma delle sue parti, " conclude Sebastian Böser. "Qui abbiamo chiare prove dell'efficacia di un approccio sperimentale complementare quando si tratta di risolvere i rimanenti enigmi dei neutrini." "Nessun esperimento potrebbe raggiungere questo obiettivo da solo, che si tratti dell'aggiornamento IceCube, JUNO o uno degli altri attualmente in esecuzione, " aggiunge Michael Wurm. "Inoltre mostra ciò che i fisici dei neutrini qui a Magonza possono ottenere lavorando insieme".