In quasi nove anni, il Daya Bay Reactor Neutrino Experiment ha catturato cinque milioni e mezzo di interazioni senza precedenti da particelle subatomiche chiamate neutrini. Ora, il team internazionale di fisici della collaborazione di Daya Bay ha riportato il primo risultato del set di dati completo dell'esperimento, la misurazione più precisa mai realizzata di theta13, un parametro chiave per capire come i neutrini cambiano il loro "sapore". Il risultato, annunciato oggi alla conferenza Neutrino 2022 a Seoul, in Corea del Sud, aiuterà i fisici a esplorare alcuni dei più grandi misteri che circondano la natura della materia e dell'universo.

I neutrini sono particelle subatomiche che sono sia notoriamente sfuggenti che tremendamente abbondanti. Bombardano all'infinito ogni centimetro della superficie terrestre quasi alla velocità della luce, ma raramente interagiscono con la materia. Possono viaggiare attraverso un anno luce di piombo senza mai disturbare un singolo atomo.

Una delle caratteristiche distintive di queste particelle simili a fantasmi è la loro capacità di oscillare tra tre distinti "sapori":neutrino muonico, neutrino tau e neutrino elettronico. L'esperimento Daya Bay Reactor Neutrino è stato progettato per studiare le proprietà che determinano la probabilità di tali oscillazioni, o ciò che è noto come angoli di miscelazione e scissioni di massa.

Solo uno dei tre angoli di miscelazione è rimasto sconosciuto all'epoca in cui Daya Bay è stato progettato nel 2007:theta13. Quindi, Daya Bay è stato costruito per misurare theta13* con una sensibilità maggiore rispetto a qualsiasi altro esperimento.

Operando nel Guangdong, in Cina, il Daya Bay Reactor Neutrino Experiment consiste in grandi rivelatori di particelle cilindriche immersi in pozze d'acqua in tre caverne sotterranee. Gli otto rivelatori raccolgono segnali luminosi generati dagli antineutrini provenienti dalle vicine centrali nucleari. Gli antineutrini sono le antiparticelle dei neutrini e sono prodotti in abbondanza dai reattori nucleari. Daya Bay è stata costruita attraverso uno sforzo internazionale e una partnership unica nel suo genere per un grande progetto di fisica tra Cina e Stati Uniti. L'Istituto di Fisica delle Alte Energie (IHEP) dell'Accademia cinese delle scienze con sede a Pechino guida il ruolo della Cina nella collaborazione, mentre il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e il Brookhaven National Laboratory co-guidano la partecipazione degli Stati Uniti.

Per determinare il valore di theta13, gli scienziati di Daya Bay hanno rilevato neutrini di un sapore specifico, in questo caso antineutrini elettronici, in ciascuna delle caverne sotterranee. Due caverne si trovano vicino ai reattori nucleari e la terza caverna è più lontana, fornendo un'ampia distanza per l'oscillazione degli antineutrini. Confrontando il numero di antineutrini elettronici captati dai rivelatori vicini e lontani, i fisici hanno calcolato quanti sapori cambiati e, di conseguenza, il valore di theta13.

I fisici di Daya Bay hanno effettuato la prima misurazione conclusiva al mondo di theta13 nel 2012 e successivamente hanno migliorato la precisione della misurazione mentre l'esperimento continuava a raccogliere dati. Ora, dopo nove anni di funzionamento e la fine della raccolta dei dati nel dicembre 2020, prestazioni eccellenti del rivelatore e analisi dei dati dedicata, Daya Bay ha superato di gran lunga le aspettative. Lavorando con il set di dati completo, i fisici hanno ora misurato il valore di theta13 con una precisione due volte e mezzo maggiore dell'obiettivo di progettazione dell'esperimento. Nessun altro esperimento esistente o pianificato dovrebbe raggiungere un livello di precisione così squisito.

"Avevamo più team di analisi che hanno esaminato scrupolosamente l'intero set di dati, tenendo attentamente conto dell'evoluzione delle prestazioni del rivelatore nel corso dei nove anni di funzionamento", ha affermato il co-portavoce di Daya Bay Jun Cao di IHEP. "I team hanno sfruttato l'ampio set di dati non solo per perfezionare la selezione degli eventi antineutrini, ma anche per migliorare la determinazione dei background. Questo sforzo dedicato ci ha permesso di raggiungere un livello di precisione senza rivali."

La misurazione di precisione di theta13 consentirà ai fisici di misurare più facilmente altri parametri nella fisica dei neutrini, nonché di sviluppare modelli più accurati delle particelle subatomiche e del modo in cui interagiscono.

Studiando le proprietà e le interazioni degli antineutrini, i fisici possono ottenere informazioni sullo squilibrio della materia e dell'antimateria nell'universo. I fisici credono che la materia e l'antimateria siano state create in quantità uguali al tempo del Big Bang. Ma se così fosse, questi due opposti si sarebbero annientati, lasciandosi dietro solo luce. Una certa differenza tra i due deve aver ribaltato l'equilibrio per spiegare la preponderanza della materia (e la mancanza di antimateria) nell'universo di oggi.

"Ci aspettiamo che ci possa essere qualche differenza tra neutrini e antineutrini", ha detto il fisico di Berkeley e co-portavoce di Daya Bay Kam-Biu Luk. "Non abbiamo mai rilevato differenze tra particelle e antiparticelle per i leptoni, il tipo di particelle che include i neutrini. Abbiamo rilevato differenze tra particelle e antiparticelle solo per i quark. Ma le differenze che vediamo con i quark non sono sufficienti per spiegare perché c'è più materia che antimateria nell'universo. È possibile che i neutrini possano essere la pistola fumante."

L'ultima analisi del set di dati finale di Daya Bay ha anche fornito ai fisici una misurazione precisa della scissione di massa. Questa proprietà determina la frequenza delle oscillazioni dei neutrini.

"La misurazione della divisione di massa non era uno degli obiettivi di progettazione originali di Daya Bay, ma è diventata accessibile grazie al valore relativamente grande di theta13", ha affermato Luk. "Abbiamo misurato la suddivisione della massa al 2,3% con il set di dati finale di Daya Bay, un miglioramento rispetto alla precisione del 2,8% della precedente misurazione di Daya Bay."

Andando avanti, la collaborazione internazionale di Daya Bay prevede di riportare ulteriori risultati dal set di dati finale, inclusi gli aggiornamenti alle misurazioni precedenti.

Esperimenti di neutrini di nuova generazione, come il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), sfrutteranno i risultati di Daya Bay per misurare e confrontare con precisione le proprietà di neutrini e antineutrini. Attualmente in costruzione, DUNE fornirà ai fisici il fascio di neutrini più intenso del mondo, rivelatori sotterranei separati da 800 miglia e l'opportunità di studiare il comportamento dei neutrini come mai prima d'ora.

"Come uno dei tanti obiettivi della fisica, DUNE prevede di misurare theta13 con la stessa precisione di Daya Bay", ha affermato Elizabeth Worcester, fisica sperimentale di Brookhaven e collaboratrice di Daya Bay. "Questo è eccitante perché avremo quindi misurazioni theta13 precise da diversi canali di oscillazione, che testeranno rigorosamente il modello a tre neutrini. Fino a quando DUNE non raggiungerà quell'elevata precisione, possiamo utilizzare la misurazione theta13 precisa di Daya Bay come vincolo per consentire la ricerca di differenze tra proprietà del neutrino e dell'antineutrino."

Gli scienziati sfrutteranno anche il grande valore theta13 e i neutrini del reattore per determinare quale dei tre neutrini è il più leggero. "La precisa misurazione theta13 di Daya Bay migliora la sensibilità agli ordini di massa del Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), che completerà la costruzione in Cina il prossimo anno", ha affermato Yifang Wang, portavoce di JUNO e direttore dell'IHEP. "Inoltre, JUNO raggiungerà una precisione di livello inferiore alla percentuale sulla divisione di massa misurata da Daya Bay in diversi anni". + Esplora ulteriormente

Gli scienziati salutano il sito di Daya Bay, procedono con l'analisi finale dei dati