Gli scienziati spesso si riferiscono al neutrino come alla "particella fantasma". I neutrini erano una delle particelle più abbondanti all'origine dell'universo e lo sono ancora oggi. Le reazioni di fusione nel sole ne producono vasti eserciti, che ogni giorno si riversano sulla Terra. Trilioni passano attraverso i nostri corpi ogni secondo, poi vola attraverso la Terra come se non ci fosse.

"Anche se per la prima volta postulato quasi un secolo fa e rilevato per la prima volta 65 anni fa, i neutrini rimangono avvolti nel mistero a causa della loro riluttanza ad interagire con la materia, " ha detto Alessandro Lovato, un fisico nucleare presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Lovato è un membro di un gruppo di ricerca di quattro laboratori nazionali che ha costruito un modello per affrontare uno dei tanti misteri sui neutrini:come interagiscono con i nuclei atomici, sistemi complicati fatti di protoni e neutroni ("nucleoni") legati insieme dalla forza forte. Questa conoscenza è essenziale per svelare un mistero ancora più grande:perché durante il loro viaggio attraverso lo spazio o la materia i neutrini si trasformano magicamente l'uno nell'altro di tre possibili tipi o "sapori".

Per studiare queste oscillazioni, due serie di esperimenti sono stati condotti presso il Fermi National Accelerator Laboratory del DOE (MiniBooNE e NOvA). In questi esperimenti, gli scienziati generano un intenso flusso di neutrini in un acceleratore di particelle, quindi inviarli a rilevatori di particelle per un lungo periodo di tempo (MiniBooNE) oa cinquecento miglia dalla sorgente (NOvA).

Conoscendo la distribuzione originale dei sapori dei neutrini, gli sperimentali raccolgono poi dati relativi alle interazioni dei neutrini con i nuclei atomici nei rivelatori. Da quelle informazioni, possono calcolare eventuali cambiamenti nei sapori dei neutrini nel tempo o nella distanza. Nel caso dei rilevatori MiniBooNE e NOvA, i nuclei provengono dall'isotopo carbonio-12, che ha sei protoni e sei neutroni.

"Il nostro team è entrato in scena perché questi esperimenti richiedono un modello molto accurato delle interazioni dei neutrini con i nuclei del rivelatore su un ampio intervallo di energia, " disse Noemi Rocco, un postdoc nella divisione di fisica di Argonne e Fermilab. Data l'inafferrabilità dei neutrini, ottenere una descrizione completa di queste reazioni è una sfida formidabile.

Il modello di fisica nucleare del team delle interazioni dei neutrini con un singolo nucleone e una coppia di essi è il più accurato finora. "Il nostro è il primo approccio per modellare queste interazioni a un livello così microscopico, "disse Rocco. "Gli approcci precedenti non erano così fini."

Una delle scoperte importanti del team, sulla base di calcoli effettuati sul supercomputer Mira ora in pensione presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), era che l'interazione della coppia di nucleoni è cruciale per modellare accuratamente le interazioni dei neutrini con i nuclei. L'ALCF è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

"Più grandi sono i nuclei nel rivelatore, maggiore è la probabilità che i neutrini interagiscano con loro, " disse Lovato. "In futuro, abbiamo in programma di estendere il nostro modello ai dati provenienti da nuclei più grandi, vale a dire, quelli di ossigeno e argon, a sostegno di esperimenti pianificati in Giappone e negli Stati Uniti."

Rocco ha aggiunto che "Per quei calcoli, faremo affidamento su computer ALCF ancora più potenti, il sistema Theta esistente e la prossima macchina Exascale, Aurora."

Gli scienziati sperano che, infine, emergerà un quadro completo delle oscillazioni di sapore sia per i neutrini che per le loro antiparticelle, chiamati "antineutrini". Questa conoscenza può far luce sul motivo per cui l'universo è costruito dalla materia invece che dall'antimateria, una delle domande fondamentali sull'universo.

La carta, intitolato "Studio Ab Initio di (νℓ, -) e (ν¯ℓ, ℓ+) Scattering inclusivo in C12:confronto tra i dati MiniBooNE e T2K CCQE, " è pubblicato in Revisione fisica X . Oltre a Rocco e Lovato, autori includono J. Carlson (Los Alamos National Laboratory), S. Gandolfi (Laboratorio Nazionale Los Alamos), e R. Schiavilla (Old Dominion University/Jefferson Lab).