Alysia Marino ed Eric Zimmerman, fisici della CU Boulder, sono stati a caccia di neutrini negli ultimi due decenni.

Non è un'impresa facile:i neutrini sono tra le particelle subatomiche più sfuggenti conosciute dalla scienza. Non hanno una carica e sono così leggeri (ognuno ha una massa molte volte più piccola dell'elettrone) che interagiscono solo in rare occasioni con il mondo che li circonda.

Potrebbero anche contenere la chiave per alcuni dei misteri più profondi della fisica.

In uno studio pubblicato oggi sulla rivista Natura , Marino, Zimmerman e più di 400 altri ricercatori in un esperimento chiamato T2K si avvicinano alla risposta a uno dei più grandi:perché l'universo non si è annichilito in un'enorme esplosione di energia non molto tempo dopo il Big Bang?

La nuova ricerca suggerisce che la risposta si riduce a una sottile discrepanza nel modo in cui i neutrini e i loro gemelli malvagi, gli antineutrini, comportarsi, una delle prime indicazioni che i fenomeni chiamati materia e antimateria potrebbero non essere le esatte immagini speculari in cui credevano molti scienziati.

I risultati del gruppo mostrano ciò che gli scienziati possono imparare studiando queste particelle senza pretese, disse Zimmermann, professore presso il Dipartimento di Fisica.

"Anche 20 anni fa, il campo della fisica dei neutrini era molto più piccolo di quanto lo sia oggi, " Egli ha detto.

Marino, professore associato di fisica, concordato. "C'è ancora molto che stiamo cercando di capire su come interagiscono i neutrini, " lei disse.

Big Bang

neutrini, che non sono stati rilevati direttamente fino agli anni '50, sono spesso prodotte in profondità all'interno delle stelle e sono tra le particelle più comuni nell'universo. sempre secondo, trilioni di essi passano attraverso il tuo corpo, sebbene pochi reagiranno con uno solo dei tuoi atomi.

Per capire perché questa peluria cosmica di dente di leone è importante, aiuta a tornare all'inizio, proprio all'inizio.

Sulla base dei loro calcoli, i fisici ritengono che il Big Bang debba aver creato un'enorme quantità di materia insieme a un'uguale quantità di antimateria. Queste particelle si comportano esattamente come, ma hanno cariche opposte da, i protoni, gli elettroni e tutta l'altra materia che compone tutto ciò che puoi vedere intorno a te.

C'è solo un problema con quella teoria:materia e antimateria si cancellano a vicenda al contatto.

"Il nostro universo oggi è dominato dalla materia e non dall'antimateria, " Disse Marino. "Quindi doveva esserci qualche processo in fisica che distinguesse la materia dall'antimateria e avrebbe potuto dare origine a un piccolo eccesso di protoni o elettroni sulle loro antiparticelle".

Col tempo, quel piccolo eccesso divenne un grande eccesso finché non rimase virtualmente più antimateria nel cosmo. Secondo una teoria popolare, i neutrini sono alla base di tale discrepanza.

Zimmerman ha spiegato che queste particelle subatomiche sono di tre tipi diversi, che gli scienziati chiamano "sapori, " con interazioni uniche. Sono il neutrino muonico, neutrino elettronico e neutrino tau. Puoi pensarli come il gelato napoletano del fisico.

Questi sapori, però, non restare fermo. Oscillano. Se gli dai abbastanza tempo, Per esempio, le probabilità che un neutrino muonico rimanga un neutrino muonico possono cambiare. Immagina di aprire il tuo congelatore e di non sapere se il gelato alla vaniglia che hai lasciato ora sarà al cioccolato o alla fragola, Invece.

Ma vale lo stesso per gli antineutrini? I sostenitori della teoria della "leptogenesi" sostengono che se ci fosse anche una piccola differenza nel comportamento di queste immagini speculari, potrebbe fare molto per spiegare lo squilibrio nell'universo.

"Il prossimo grande passo nella fisica dei neutrini è capire se le oscillazioni dei neutrini avvengono alla stessa velocità delle oscillazioni degli antineutrini, " ha detto Zimmermann.

Viaggiare in Giappone

Quella, però, significa osservare da vicino i neutrini.

Il T2K, o Tokai a Kamioka, L'esperimento si spinge fino all'estremo per fare proprio questo. In questo sforzo, gli scienziati usano un acceleratore di particelle per sparare fasci costituiti da neutrini da un sito di ricerca a Tokai, Giappone, ai rilevatori di Kamioka, una distanza di oltre 180 miglia o l'intera larghezza dell'isola più grande del Giappone, Honshu.

Zimmerman e Marino hanno entrambi partecipato alla collaborazione dagli anni 2000. Negli ultimi nove anni, il duo e i loro colleghi di tutto il mondo si sono scambiati lo studio di fasci di neutrini muonici e antineutrini muonici.

Nel loro studio più recente, i ricercatori hanno scoperto che questi frammenti di materia e antimateria sembrano comportarsi in modo diverso. neutrini muonici, Zimmermann ha detto, sono più inclini a oscillare in neutrini elettronici rispetto ai loro omologhi antineutrini.

I risultati arrivano con importanti avvertimenti. Le scoperte del team sono ancora un po' timide rispetto al gold standard della comunità dei fisici per una scoperta, una misura di significatività statistica chiamata "five-sigma". La collaborazione T2K sta già aggiornando l'esperimento in modo che possa raccogliere più dati e raggiungere più velocemente quel traguardo.

Ma, Marino ha detto, i risultati forniscono uno dei suggerimenti più allettanti fino ad oggi che alcuni tipi di materia e antimateria possono agire in modo diverso, e non di una quantità insignificante.

"Per spiegare i risultati di T2K, la differenza deve essere quasi la più grande quantità che potresti ottenere" in base alla teoria, lei disse.

Marino vede lo studio come una finestra sull'affascinante mondo dei neutrini. Ci sono molte altre domande urgenti su queste particelle, anche:quanto, Per esempio, pesa ogni sapore di neutrino? sono neutrini, in una svolta davvero strana, effettivamente le proprie antiparticelle? Lei e Zimmerman stanno prendendo parte a una seconda collaborazione, uno sforzo imminente chiamato Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), che aiuterà il T2K aggiornato a trovare quelle risposte.

"Ci sono ancora cose che stiamo cercando di capire perché i neutrini sono così difficili da produrre in laboratorio e richiedono rivelatori così complicati, — disse Marino. — C'è ancora spazio per altre sorprese.