Qual è la massa di un neutrino a riposo? Questa è una delle grandi domande senza risposta della fisica. I neutrini svolgono un ruolo centrale in natura. Un team guidato da Klaus Blaum, direttore dell'Istituto Max Planck di fisica nucleare di Heidelberg, ha ora dato un importante contributo alla "pesatura" dei neutrini nell'ambito della collaborazione internazionale ECHo. I loro risultati sono pubblicati in Nature Physics .

Utilizzando una trappola di Penning, ha misurato con estrema precisione la variazione di massa di un isotopo dell'olmio-163 quando il suo nucleo cattura un elettrone e si trasforma in disprosio-163. Da ciò è stato possibile determinare il valore Q 50 volte più accuratamente di prima. Utilizzando un valore Q più preciso si possono individuare eventuali errori sistematici nella determinazione della massa del neutrino.

Negli anni '30 si scoprì che né l'equilibrio dell'energia né quello della quantità di moto sono corretti nel decadimento beta radioattivo di un nucleo atomico. Ciò ha portato al postulato delle "particelle fantasma" che "segretamente" trasportano energia e quantità di moto. Nel 1956 fu finalmente ottenuta la prova sperimentale di tali neutrini. La sfida:i neutrini interagiscono con altre particelle di materia solo attraverso l'interazione debole che è anche alla base del decadimento beta di un nucleo atomico.

Per questo motivo centinaia di trilioni di neutrini provenienti dal cosmo, in particolare dal Sole, possono attraversare il nostro corpo ogni secondo senza causare alcun danno. Collisioni estremamente rare di neutrini con altre particelle di materia possono essere rilevate solo con enormi rivelatori.

I neutrini solari hanno portato un’altra rivelazione rivoluzionaria:i tre tipi di neutrini finora conosciuti possono trasformarsi l’uno nell’altro. Tuttavia, queste "oscillazioni dei neutrini" hanno avuto gravi conseguenze per la visione del mondo della fisica delle particelle. In precedenza si presumeva che i neutrini non avessero massa a riposo, come i fotoni.

Ciò sarebbe compatibile con il modello standard della fisica delle particelle, la migliore descrizione del mondo delle particelle fino ad oggi. Tuttavia, le oscillazioni hanno forzato una massa a riposo per i neutrini, un'ulteriore indicazione che deve esistere una nuova fisica oltre il modello standard.

Conoscere l’esatta massa a riposo del neutrino sarebbe quindi un sesamo aperto nel mondo sconosciuto della nuova fisica. Sfortunatamente non è possibile collocare semplicemente un neutrino su una scala. Ciò richiede esperimenti estremamente complessi su processi fisici tecnicamente accessibili che coinvolgono i neutrini.

"Un modo è il decadimento beta del trizio", spiega Christoph Schweiger, dottorando presso il dipartimento di Klaus Blaum presso l'Istituto Max Planck di fisica nucleare. Qui, uno dei due neutroni dell'idrogeno super pesante decade in un protone ed emette un elettrone e un neutrino, trasformando così l'atomo in elio più leggero. Questo processo viene "soppesato" dall'esperimento KATRIN presso l'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe.

"Il percorso complementare è la cattura degli elettroni dell'isotopo artificiale olmio-163", continua Schweiger. Qui, il nucleo atomico cattura un elettrone dal guscio elettronico interno, per cui un protone viene convertito in un neutrone, risultando nell'elemento disprosio-163. Questo rilascia, tra le altre cose, anche un neutrino. La collaborazione internazionale ECHo, nella quale sono coinvolti gli scienziati di Heidelberg, tenta di misurare energeticamente questo processo di decadimento con estrema precisione.

Secondo la formula di Einstein E =mc ² , massa ed energia sono equivalenti, quindi misurare l'energia può essere equiparato alla pesatura delle masse. Come "calorimetro", ECHo misura con estrema precisione l'energia totale rilasciata in questo decadimento:ciò corrisponde al massimo del valore Q meno la massa restante del neutrino rilasciato. A questo scopo, l'isotopo dell'olmio-163 viene incorporato in uno strato di atomi d'oro.

"Tuttavia, questi atomi d'oro potrebbero avere un'influenza sull'olmio-163", spiega Schweiger. "È quindi importante misurare il valore di Q nel modo più preciso possibile utilizzando un metodo alternativo e confrontarlo con il valore determinato calorimetricamente per individuare possibili fonti sistematiche di errore."

È qui che entrano in gioco l'esperimento della pentatrappola di Heidelberg e la tesi di dottorato di Schweiger. Pentatrap è composto da cinque trappole Penning. In queste trappole, gli atomi caricati elettricamente possono essere catturati in una combinazione di campo elettrico e magnetico statico.

Questi ioni eseguono un'intricata "danza circolare", che consente di determinare la loro massa con estrema precisione. "Con un Airbus A-380 con un carico massimo, potresti utilizzare questa sensibilità per determinare se una singola goccia d'acqua è caduta su di esso", afferma il fisico, illustrando le capacità di questa super bilancia.

In linea di principio, una trappola Penning funziona come un'altalena. Se metti due bambini di peso diverso uno accanto all'altro su due altalene dello stesso tipo e li spingi con la stessa forza, osserverai gradualmente uno spostamento nelle frequenze dell'altalena. Questo può essere usato per calcolare la differenza di peso tra i due bambini.

Nel caso dell'esperimento pentatrappola, questa è la differenza di massa tra uno ione olmio-163 e uno ione disprosio-163. Inoltre, più velocemente entrambi i bambini dondolano, prima si ottiene il risultato, che è anche molto più accurato per lo stesso tempo di osservazione rispetto all'oscillazione lenta.

Per questo motivo, il team ha rimosso 38, 39 e 40 elettroni dagli ioni "altamente carichi" in tre diverse serie di misurazioni, il che rende la loro "danza circolare" notevolmente più veloce. "Se tutto funziona, la misurazione richiederà solo poche settimane", afferma Schweiger.

Dalle differenze di massa risultanti da diverse misurazioni di frequenza, tramite E =mc ² gli scienziati di Heidelberg riuscirono finalmente a determinare un valore Q per la cattura degli elettroni 50 volte più preciso di prima. "Il contributo dei tre gruppi teorici, compreso il gruppo di Christoph Keitel qui all'istituto, è stato importante quanto la nostra misurazione", sottolinea Schweiger.

Oltre alla differenza di frequenza tra i due ioni, una seconda variabile ha un'influenza significativa sul valore Q determinato:l'energia immagazzinata nel sistema elettronico rimanente di uno ione altamente carico. Dato che uno ione così grande è un sistema multiparticellare, il calcolo è stato altrettanto complesso.

Si è scoperto che i calcoli hanno prodotto quasi esattamente gli stessi valori Q per i tre stati di carica misurati con 38, 39 e 40 elettroni rimossi. Ciò ha reso chiaro che si potevano escludere incertezze sistematiche negli esperimenti e nella teoria, sottolinea Schweiger con entusiasmo. E cosa significa questo per le masse dei neutrini?

KATRIN ha determinato il limite superiore più preciso fino ad oggi della massa del neutrino "pesando" 0,8 elettronvolt per velocità della luce al quadrato, che corrisponde a un inimmaginabile 0,0000000000000000000000000000000000014 chilogrammi.

Questo ordine di grandezza è 10 ^-36 corrisponde approssimativamente al rapporto in peso tra quattro uvette e il sole. E questo è solo un limite superiore. L'analisi della distribuzione di massa stimata nell'universo arriva addirittura a un limite superiore significativamente inferiore delle masse dei neutrini di 0,12 elettronvolt per velocità della luce al quadrato.

"Tuttavia, questa analisi è molto complessa e dipende dal modello cosmologico utilizzato", afferma Schweiger. In ogni caso è chiaro che chiunque voglia pesare i neutrini si trova ad affrontare sfide estreme, al limite di ciò che è tecnicamente possibile. In questo contesto, il risultato di Heidelberg rappresenta un importante passo avanti verso la soluzione del mistero delle masse dei neutrini.

Ulteriori informazioni: Misura diretta ad alta precisione con trappola di Penning del valore Q della cattura elettronica in 163Ho per la determinazione della massa del neutrino elettronico, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02461-9

Informazioni sul giornale: Fisica della Natura

Fornito dalla Max Planck Society