Un gruppo internazionale di oltre 260 scienziati ha prodotto uno dei test più severi per l'esistenza di neutrini sterili fino ad oggi. Gli scienziati di due importanti gruppi sperimentali internazionali, MINOS+ presso il Fermilab e Daya Bay del Dipartimento dell'Energia in Cina, stanno riportando i risultati in Lettere di revisione fisica escludendo oscillazioni in un neutrino sterile come spiegazione principale per osservazioni inaspettate da recenti esperimenti.

MINOS+ studia la scomparsa dei neutrini muonici prodotti da un acceleratore del Fermilab e che si propagano a un rivelatore sotterraneo nel Minnesota settentrionale a 735 chilometri di distanza. Daya Bay utilizza otto rivelatori progettati in modo identico per misurare con precisione come i neutrini elettronici emessi da sei reattori nucleari in Cina "scompaiono" mentre si trasformano in altri tipi.

I neutrini sono particelle elementari che, come gli elettroni, non può essere scomposto in componenti più piccoli. Sono diverse da qualsiasi altra particella di cui si conosce l'esistenza in quanto sono in grado di penetrare quantità estremamente grandi di materia senza fermarsi. Se un neutrino viene sparato dalla superficie della Terra verso il suo centro, c'è una grandissima probabilità che emerga intatto dall'altra parte.

Esistono tre tipi noti di neutrini:elettroni, muone e tau. Circa due decenni fa, gli scienziati hanno scoperto che possono trasformarsi da un tipo all'altro attraverso un fenomeno chiamato "oscillazione del neutrino, " una scoperta che è stata insignita del premio Nobel per la fisica 2015. Ad esempio, un neutrino creato come un tipo di elettrone che viaggia nello spazio può essere successivamente identificato come un tipo muonico o un tipo tau.

Anche se la stragrande maggioranza dei dati accumulati fino ad oggi può essere spiegata da tre neutrini noti, alcuni esperimenti hanno riportato osservazioni anomale che suggeriscono l'esistenza di ulteriori tipi. Tra questi ci sono l'esperimento LSND al Los Alamos National Laboratory e l'esperimento MiniBooNE al Fermilab. Entrambi hanno esposto i loro rivelatori a un fascio di neutrini muonici e hanno riportato un eccesso di eventi candidati al neutrino elettronico oltre quello che ci si aspetterebbe da oscillazioni che coinvolgono solo i tre tipi noti di neutrini, ma forse conciliabile se fosse coinvolto un nuovo tipo di neutrino, un neutrino sterile. I neutrini sterili non sarebbero direttamente rilevabili, ma la loro oscillazione con i tre neutrini conosciuti fornirebbe un percorso unico per stabilire la loro esistenza.

Però, i nuovi risultati di Daya Bay e MINOS+ mettono in discussione questa possibilità come spiegazione dei risultati di LSND e MiniBooNE.

"La posta in gioco è alta; se questa allettante interpretazione dei risultati anomali fosse confermata, ne seguirebbe una rivoluzione nella fisica. I neutrini sterili diventerebbero le prime particelle ad essere trovate al di fuori del Modello Standard, la nostra attuale migliore teoria delle particelle elementari e delle loro interazioni. Potrebbero anche essere candidati per la materia oscura e potrebbero avere importanti conseguenze in cosmologia, ", ha detto lo scienziato di Daya Bay Pedro Ochoa-Ricoux, professore associato di fisica e astronomia all'UC Irvine.

"Questa stretta collaborazione tra gli scienziati di MINOS+ e Daya Bay ha permesso la combinazione di due vincoli complementari leader a livello mondiale sui neutrini muonici e sugli antineutrini elettronici che scompaiono in neutrini sterili, " disse Alexandre Sousa, professore associato di fisica all'Università di Cincinnati e uno degli scienziati MINOS+ che ha lavorato all'analisi. La scomparsa di entrambe le particelle deve avvenire se gli (anti)neutrini elettronici devono apparire in una sorgente di (anti)neutrini di muoni tramite oscillazioni sterili con un singolo neutrino sterile. "Quindi il risultato combinato è una sonda molto potente dei suggerimenti di neutrini sterili che abbiamo fino ad oggi".

Le misurazioni della scomparsa dei neutrini di MINOS+ e Daya Bay sono ora così precise che essenzialmente escludono di spiegare le osservazioni anomale combinate di LSND, MiniBooNE e altri esperimenti esclusivamente attraverso oscillazioni di neutrini sterili, secondo Ochoa-Ricoux.

"Saremmo stati tutti assolutamente entusiasti di trovare prove di neutrini sterili, ma i dati che abbiamo raccolto finora non supportano nessun tipo di oscillazione con queste particelle esotiche, " Egli ha detto.

L'analisi combinata riportata da Daya Bay e MINOS+ non solo ha escluso il tipo specifico di oscillazione del neutrino sterile che spiegherebbe i risultati anomali, ma ha anche cercato altre firme di neutrini sterili con una sensibilità mai raggiunta prima, ottenendo alcuni dei limiti più severi sull'esistenza di queste particelle sfuggenti fino ad oggi.

"I due esperimenti utilizzano più rivelatori con incertezze ben comprese e hanno raccolto un numero di eventi senza precedenti. La richiesta di coerenza tra i set di dati dei due esperimenti fornisce un test molto rigoroso dell'esistenza del neutrino sterile, " hanno affermato i portavoce di MINOS+, Jenny Thomas, professore all'University College di Londra, e Karol Lang professore all'Università del Texas ad Austin.

"Questo sforzo congiunto affronta in modo molto efficace un problema fondamentale in fisica, " hanno affermato i portavoce di Daya Bay Kam-Biu Luk del Lawrence Berkeley National Laboratory e UC Berkeley e Jun Cao dell'Istituto di fisica delle alte energie di Pechino. "Mentre c'è ancora spazio per un neutrino sterile in agguato nell'ombra, abbiamo ridotto notevolmente lo spazio disponibile per nasconderci."