Le raffigurazioni della dea romana della saggezza Minerva la mostrano in abiti fluenti, con indosso un nobile elmo da guerra e con in mano un gufo. Al contrario, l'esperimento MINERvA presenta un enorme rilevatore di particelle su cui sono scarabocchiati i nomi degli scienziati che hanno collaborato.

Anche se in apparenza abbastanza diverso, questo esperimento sui neutrini fornisce agli scienziati una profonda saggezza, proprio come rappresentava il suo omonimo. Tra le numerose scoperte, gli scienziati hanno utilizzato MINERvA per comprendere meglio le dimensioni e la struttura dei protoni, uno degli elementi costitutivi degli atomi.

MINERvA è un esperimento di diffusione dei neutrini presso il Fermilab del Dipartimento di Energia. I neutrini sono minuscole particelle elettricamente neutre, incredibilmente abbondanti. Il sole, altre stelle e molti oggetti diversi li producono come risultato di reazioni atomiche. In effetti, nell'universo ci sono più neutrini di qualsiasi altra particella dotata di massa.

Nonostante siano onnipresenti, non notiamo mai i neutrini perché non reagiscono quasi mai con nulla. Lo studio dei neutrini è essenziale per comprendere come il nostro universo si è formato nel passato e come funziona adesso.

Per comprendere meglio questa particella fondamentale, gli scienziati studiano come i neutrini interagiscono con i materiali nelle rare occasioni in cui lo fanno effettivamente. La missione di MINERvA è catturare queste interazioni.

Utilizza un fascio di neutrini ad alta intensità per studiare come interagiscono con i nuclei di cinque diversi elementi. Facendo colpire i neutrini a bersagli costituiti da materiali diversi (acqua, elio, carbonio, ferro, piombo e plastica), gli scienziati possono confrontare le reazioni. Tracciare le diverse interazioni aiuterà gli scienziati ad analizzare i risultati di altri esperimenti come l'imminente Deep Underground Neutrino Experiment.

Oltre a questo obiettivo, gli scienziati della collaborazione MINERvA hanno escogitato un altro uso intelligente dei loro dati:studiare le dimensioni e la struttura del protone.

Insieme ai neutroni, i protoni costituiscono i nuclei degli atomi che compongono noi e tutto ciò che ci circonda. Sono uno degli elementi costitutivi della materia con cui interagiamo ogni giorno.

Ma studiare le particelle subatomiche è molto più complicato che studiare oggetti più grandi. Le particelle subatomiche sono troppo piccole per essere studiate con strumenti ordinari come i microscopi. Inoltre, la "dimensione" di una particella subatomica non ha esattamente lo stesso significato della dimensione di un oggetto misurabile con un righello. Invece, gli scienziati studiano le forze che tengono insieme il protone.

In passato, gli scienziati hanno studiato le dimensioni del protone utilizzando la forza elettromagnetica. L'elettromagnetismo è una delle quattro forze fondamentali dell'universo. Campi magnetici, campi elettrici e persino la luce cadono sotto la forza elettromagnetica. Lega gli elettroni al nucleo (fatto di protoni e neutroni) nell'atomo. È anche in parte responsabile della struttura del nucleo.

Per rappresentare la dimensione del protone, gli scienziati hanno generalmente utilizzato il raggio della carica elettrica. Questo è il raggio medio della carica elettrica distribuita nel protone. Per misurare questa caratteristica, gli scienziati puntano un fascio di elettroni a singola energia verso un bersaglio. Gli elettroni volano via dai protoni in molte direzioni ed energie diverse, il che fornisce agli scienziati informazioni sulla struttura interna dei protoni.

Utilizzando questa tecnica, gli scienziati sono stati in grado di effettuare una misurazione molto precisa della dimensione del raggio medio di carica elettrica del protone, e quindi dei quark che forniscono la carica elettrica.

Guidata da Tejin Cai (allora studente di dottorato presso l'Università di Rochester), la collaborazione MINERvA ha avuto un approccio diverso. L'idea era di utilizzare gli antineutrini, il gemello dell'antimateria dei neutrini, per studiare i protoni.

Poiché i neutrini (e gli antineutrini) non hanno carica, non interagiscono tramite la forza elettromagnetica. Invece, i neutrini interagirebbero attraverso la forza debole dei protoni. La forza debole e la gravità sono gli unici due modi in cui i neutrini interagiscono con qualsiasi cosa.

Nonostante il nome, la forza debole è potente. Un'altra di quelle quattro forze fondamentali, consente il processo mediante il quale i protoni si trasformano in neutroni o viceversa. Questi processi sono ciò che guida le reazioni nucleari del Sole e di altre stelle. I neutrini offrono uno strumento unico per studiare la forza debole.

Ma la forza debole entra in gioco solo quando le particelle sono molto, molto vicine tra loro. Mentre i neutrini si librano nello spazio, di solito si muovono attraverso gli spazi (relativamente) vasti tra gli elettroni e il nucleo di un atomo.

Nella maggior parte dei casi, i neutrini semplicemente non sono abbastanza vicini ai protoni da poter interagire tramite la forza debole. Per ottenere misurazioni sufficienti, gli scienziati devono sparare un numero impressionante di neutrini o antineutrini su un bersaglio.

Il potente fascio di neutrini e i diversi bersagli di MINERvA hanno reso possibile questo obiettivo. In un mondo ideale, gli scienziati punterebbero i neutrini su un bersaglio fatto di neutroni puri, o gli antineutrini su un bersaglio fatto di protoni puri. In questo modo, gli scienziati potrebbero ottenere misurazioni più specifiche. Sfortunatamente, questa non è una configurazione sperimentale molto realistica.

Ma MINERvA aveva già la cosa migliore:molti antineutrini e un bersaglio in polistirolo. Il materiale che costituisce il polistirolo, il polistirolo è costituito da idrogeno legato al carbonio. Utilizzando questo obiettivo, gli scienziati potrebbero ottenere misurazioni di come gli antineutrini interagiscono sia con l'idrogeno che con il carbonio.

Per separare l’idrogeno dal carbonio, gli scienziati hanno adottato un approccio simile a quello di scattare una foto e poi eliminare lo sfondo per consentire di concentrarsi solo su alcuni elementi. Per determinare le interazioni "di fondo" neutrino-carbonio, gli scienziati hanno esaminato i neutroni.

Quando gli antineutrini interagiscono con i protoni del carbonio o con i protoni da soli dell'idrogeno, producono neutroni. Tracciando i neutroni, gli scienziati potrebbero lavorare a ritroso per identificare e rimuovere le interazioni carbonio-antineutrino dalle interazioni idrogeno-antineutrino.

Ottenere il numero necessario di interazioni ha veramente messo alla prova le capacità di MINERvA. Nel corso di tre anni, gli scienziati hanno registrato più di un milione di interazioni degli antineutrini con altre particelle. Di questi, solo 5.000 erano a idrogeno.

Questi dati hanno finalmente permesso agli scienziati di calcolare la dimensione del protone utilizzando i neutrini. Invece del raggio di carica elettrica, hanno calcolato il raggio di carica debole del protone. Era la prima volta che gli scienziati utilizzavano i neutrini per effettuare una misurazione statisticamente significativa di questa caratteristica.

Considerando le incertezze, il risultato era molto vicino alle misurazioni precedenti del raggio di carica elettrica del protone. Poiché fondamentalmente misura la distribuzione spaziale dei quark e dei gluoni che compongono il protone, ci si aspettava che il valore fosse simile.

Questa nuova tecnica offre agli scienziati un altro strumento nel loro kit per studiare la struttura del protone. È una testimonianza della saggezza che possiamo acquisire quando gli scienziati pensano in modo creativo all'utilizzo degli esperimenti esistenti per esplorare nuove aree di ricerca.

Fornito dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti