I risultati dell'esperimento KATRIN escludono un neutrino sterile leggero con una massa compresa tra 3 e 30 elettronvolt. Un neutrino all'interno di questa gamma si sarebbe rivelato da una curva nella linea arancione, per esempio. come mostrato qui a 10 elettronvolt sotto il valore finale di 18,6 kiloelettronvolt. (Linea verde:spettro di un neutrino sterile leggero virtuale con una massa di 10 eV; linea blu:spettro del classico, neutrino attivo; linea arancione:spettro combinato. Credito:Trama:Collaborazione KATRIN
Ci sono molte domande che circondano il neutrino delle particelle elementari, in particolare per quanto riguarda la sua massa. I fisici sono anche interessati a sapere se oltre ai neutrini "classici" ci siano varianti come i cosiddetti neutrini sterili. L'esperimento KATRIN è ora riuscito a restringere fortemente la ricerca di queste particelle sfuggenti. La pubblicazione è apparsa di recente sulla rivista Lettere di revisione fisica .
In senso stretto, il neutrino non è una singola particella ma comprende più specie:il neutrino elettronico, il neutrino muonico, e il neutrino tau. Queste particelle si trasformano costantemente l'una nell'altra in un processo chiamato oscillazione del neutrino. Si assume che i neutrini abbiano massa; questo deve essere determinato nell'esperimento KATRIN, iniziata nel 2019 presso il Karlsruhe Institute for Technology (KIT). Secondo i risultati fino ad oggi, il neutrino ha massa inferiore a 1 elettronvolt.
KATRIN potrebbe anche essere usato per rintracciare specie correlate che finora sono state solo ipotetiche:i neutrini sterili. Il ramo più pesante (massa nell'intervallo dei kiloelettronvolt) è considerato un candidato per la materia oscura e sarà ricercato dopo l'installazione di un nuovo rivelatore in KATRIN. Oltre a questo, potrebbe esserci anche un tipo di neutrino sterile più leggero.
Nuovi criteri di esclusione per il neutrino sterile leggero
Alcuni esperimenti stanno cercando neutrini sterili leggeri (massa nell'intervallo di elettronvolt). Potrebbe anche rivelarsi nell'esperimento KATRIN. La massa e il rapporto di miscelazione dei neutrini attivi (normali) e sterili svolgono un ruolo essenziale nella ricerca del neutrino sterile leggero.
L'area a sinistra delle righe mostra i campi di ricerca dei vari esperimenti per il neutrino sterile leggero. L'area all'interno delle linee verdi indica la posizione più probabile per i neutrini sterili leggeri. Le valutazioni dell'esperimento KATRIN (linea continua blu) riducono significativamente questo intervallo di ricerca. Credito:Trama:Collaborazione KATRIN
Susanne Mertens e il suo team del Max Planck Institute for Physics (MPP) sono riusciti a definire nuovi limiti di esclusione con l'aiuto di KATRIN. "Con le nostre valutazioni, siamo stati in grado di ridurre significativamente l'area di ricerca per questo neutrino, "dice Mertens.
Con la nuova analisi dei dati KATRIN, sviluppato dal gruppo di Susanne Mertens e Thierry Lasserre presso MPP, è ormai da escludere l'esistenza di neutrini sterili con massa compresa tra circa 3 e 30 elettronvolt e rapporto di mescolamento superiore al 10%. Questo risultato integra i limiti di esclusione precedentemente raggiunti.
Ricerca misurando la massa del neutrino
Ma come può KATRIN trovare neutrini sterili? Utilizzando lo stesso metodo, l'esperimento determina anche la massa del neutrino attivo. La massa del neutrino può essere misurata tramite decadimento radioattivo. KATRIN utilizza il trizio (acqua pesante) per questo scopo. Quando un protone si trasforma in neutrone, vengono prodotti un neutrino e un elettrone. L'energia di decadimento di 18,6 kiloelettronvolt è divisa tra loro.
"Sappiamo che il neutrino è estremamente leggero e riceve solo una piccola frazione dell'energia di decadimento, " dice Mertens. "L'energia massima dell'elettrone è ridotta dalla massa del neutrino." La massa del neutrino risulta quindi dalla differenza tra l'energia di decadimento e l'energia massima dell'elettrone.
La rilevazione del neutrino sterile leggero seguirebbe lo stesso principio. Se durante il decadimento radioattivo vengono rilasciati anche neutrini sterili, lascerebbe una traccia visibile nello spettro energetico degli elettroni. "Poi in curva apparirebbe una curva netta", spiega Mertens. "Ciò consentirebbe a KATRIN non solo di determinare la massa dei neutrini attivi, ma anche di dimostrare l'esistenza di un'altra specie di neutrini".
