Un team internazionale che segue i neutrini della "nuova fisica" ha confrontato i dati di tutti gli esperimenti rilevanti associati alla rivelazione di neutrini con le estensioni del modello standard proposte dai teorici. L'ultima analisi, il primo con una copertura così ampia, mostra la portata delle sfide che devono affrontare i cercatori di neutrini destrorsi, ma porta anche una scintilla di speranza.

In tutti i processi che coinvolgono neutrini che sono stati osservati, queste particelle mostrano una caratteristica chiamata dai fisici mancinismo. neutrini destrorsi, che sono l'estensione più naturale del Modello Standard, non si vedono da nessuna parte. Come mai? L'ultimo, analisi estremamente completa condotta da un gruppo internazionale di fisici, compreso l'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia aiuta a rispondere a questa domanda. Per la prima volta, i dati di tutti gli esperimenti pertinenti, direttamente e indirettamente dedicati alle rilevazioni di neutrini, sono stati inclusi e verificati rispetto agli intervalli di parametri imposti da varie estensioni teoriche del Modello Standard.

La prima particella subatomica, l'elettrone, è stato osservato più di 120 anni fa. Da allora, i fisici ne hanno scoperti un'intera pletora. La ricchezza dei mattoni da costruzione della natura si spiega partendo dal presupposto che il mondo sia costituito da quark massicci, presente in sei gusti, e leptoni molto meno massicci, anche in sei gusti. I leptoni includono l'elettrone, il muone (che pesa 207 volte la massa dell'elettrone), la tau (3477 volte la massa di un elettrone) ei corrispondenti tre tipi di neutrini.

I neutrini interagiscono molto male con il resto della materia. Mostrano anche altre caratteristiche di particolare importanza per la forma della fisica moderna. È stato recentemente scoperto che queste particelle oscillano, cioè si trasformano costantemente da un tipo all'altro. Questo fenomeno significa che i neutrini osservati devono avere una certa (sebbene molto bassa) massa. Nel frattempo, il Modello Standard, un moderno strumento teorico che descrive le particelle subatomiche con grande accuratezza, non lascia alternative:nel suo quadro i neutrini non possono avere massa! Questa contraddizione tra teoria ed esperienza è una delle indicazioni più forti a favore dell'esistenza di particelle subatomiche sconosciute. La massa dei neutrini, però, non è la loro unica proprietà sconcertante.

“Apprendiamo della presenza dei neutrini osservando i prodotti di decadimento di varie particelle e confrontando quanto abbiamo registrato con quanto predice la teoria. Si scopre che in tutti i casi indicando la presenza di neutrini, queste particelle avevano sempre la stessa elicità:1/2, cioè erano mancini. Questo è interessante perché altre particelle di materia possono avere spin sia positivo che negativo. Ma non si vedono neutrini destrorsi! Se non esistono, allora perché no? E se lo fanno, dove si nascondono?" chiede il dott. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN).

Un articolo appena pubblicato su European Physical Journal C da un team internazionale di fisici ci avvicina alla risposta alle domande di cui sopra. Scienziati dell'IFJ PAN, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare—CERN, Université catholique de Louvain (Louvain-la-Neuve, Belgio), Monash University (Melbourne, Australia), La Technische Universität München (Germania) e l'Università di Amsterdam (Paesi Bassi) hanno effettuato l'analisi più accurata fino ad oggi dei dati raccolti in oltre una dozzina dei più sofisticati esperimenti di fisica subatomica, sia quelli di carattere generale che quelli direttamente dedicati all'osservazione dei neutrini (tra cui PIENU, PS-191, FASCINO, E949, NuTeV, DELFI, ATLANTE, CMS).

I ricercatori non si sono limitati ad aumentare semplicemente il numero di esperimenti e la quantità di dati elaborati. Nella loro analisi, hanno considerato la possibilità di ipotetici processi proposti dai teorici che richiedono la presenza di neutrini destrimani. Uno di questi era il meccanismo dell'altalena associato ai neutrini di Majorana.

Nel 1937, Ettore Majorana postulò l'esistenza di una particella di materia che è la propria antiparticella. Una tale particella non potrebbe avere una carica elettrica. Poiché tutte le particelle di materia trasportano carica elettrica, ad eccezione dei neutrini, la nuova particella può essere un neutrino.

"La teoria suggerisce che se esistono neutrini di Majorana, ci può essere anche un meccanismo di oscillazione. Ciò significherebbe che quando i neutrini con uno stato di elicità non sono molto massicci, quindi i neutrini con l'elicità opposta devono avere masse molto grandi. Così, se i nostri neutrini mancini hanno masse molto basse, se fossero neutrini di Majorana, nella versione per destri dovrebbero essere massicci. Questo spiegherebbe perché non li abbiamo ancora visti, " dice il dottor Chrzaszcz, e aggiunge che i neutrini massicci destrorsi sono uno dei candidati per la materia oscura.

L'ultima analisi, effettuato utilizzando il pacchetto open source specializzato GAMBIT, ha preso in considerazione tutti i dati sperimentali attualmente disponibili e gli intervalli di parametri forniti da vari meccanismi teorici. Numericamente era estremamente oneroso. Il meccanismo di oscillazione stesso significava che i calcoli dovevano utilizzare numeri in virgola mobile non doppi, ma di precisione quadrupla. In definitiva, il volume dei dati ha raggiunto i 60 TB. L'analisi doveva essere effettuata nel più veloce cluster di calcolo polacco Prometheus, gestito dall'Academic Computer Center Cyfronet dell'AGH University of Science and Technology.

I risultati dell'analisi, finanziato da parte polacca da sovvenzioni della Fondazione per la scienza polacca e dell'Agenzia nazionale per lo scambio accademico, non ispirare ottimismo. Si è scoperto che nonostante molti esperimenti e un'enorme quantità di dati raccolti, il possibile spazio dei parametri è stato penetrato solo in minima parte.

"Potremmo trovare neutrini destrorsi in esperimenti che stanno per iniziare. Tuttavia, se siamo sfortunati e i neutrini destrorsi si nascondono nei recessi più remoti dello spazio dei parametri, potremmo dover aspettare fino a cento anni per la loro scoperta, " dice il dottor Chrzaszcz.

Fortunatamente, c'è anche un'ombra di speranza. Nei dati è stata catturata una traccia di un potenziale segnale che potrebbe essere associato a neutrini destrimani. In questa fase è molto debole e alla fine potrebbe rivelarsi solo una fluttuazione statistica. Ma cosa accadrebbe se non lo fosse?

"In questo caso, tutto indica che sarebbe già possibile osservare neutrini destrimani nel successore di LHC, il futuro collisore circolare. Però, la FCC ha un certo svantaggio:comincerebbe a funzionare circa 20 anni dopo la sua approvazione, che nella migliore delle ipotesi potrebbe avvenire solo il prossimo anno. Se non lo fa, dovremo armarci di una grande dose di pazienza prima di vedere neutrini destrorsi, " conclude il dottor Chrzaszcz.