Un team di ricercatori del Laboratorio di Fisica delle Alte Energie dell’Università di Berna è riuscito a misurare le interazioni dei neutrini prodotti dalle collisioni di particelle nel Large Hadron Collider (LHC) del CERN a energie finora irraggiungibili. Una migliore comprensione di queste elusive particelle elementari può aiutare a rispondere alla domanda sul perché nell’universo ci sia più materia che antimateria.
I neutrini sono particelle elementari che hanno svolto un ruolo importante nelle prime fasi dell’universo. Sono la chiave per saperne di più sulle leggi fondamentali della natura, come ad esempio come le particelle ottengono la loro massa e perché c’è più materia che antimateria nell’universo. Sebbene i neutrini siano tra le particelle più comuni dell’universo, sono molto difficili da studiare perché raramente interagiscono con altra materia. Per questo motivo vengono spesso definiti "particelle fantasma". La loro esistenza è nota da diversi decenni e i neutrini hanno svolto un ruolo importante nella costruzione del cosiddetto modello standard della fisica delle particelle - la "formula del mondo" per i più piccoli elementi costitutivi della materia. Finora, tuttavia, sono stati studiati soprattutto i neutrini a bassa energia, prodotti in strutture appositamente costruite.
La collaborazione internazionale FASER, alla quale partecipano anche ricercatori del Laboratory for High Energy Physics (LHEP) dell’Università di Berna, è riuscita a misurare l’interazione dei neutrini di elettroni e muoni (due sottospecie di neutrini) con i nuclei atomici alla massima energia finora raggiunta (circa 1 teraelettronvolt o TeV). La misura è stata effettuata con il rivelatore di particelle FASERÎoe dell’esperimento FASER, che misura i neutrini prodotti dalle collisioni di particelle nel Large Hadron Collider (LHC) del CERN (Organizzazione europea per la ricerca nucleare di Ginevra). Si tratta della prima osservazione di neutrini di elettroni all’LHC. Questo risultato di ricerca è di grande importanza perché lo studio dei neutrini a energie così elevate offre la possibilità di approfondire le leggi fondamentali della natura, di studiare processi rari e di scoprire eventualmente nuovi fenomeni fisici", afferma Akitaka Ariga, fisico delle particelle e capo del gruppo FASER presso il Laboratory for High Energy Physics (LHEP) dell’Università di Berna. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.
Tecnologia di rivelazione all’avanguardia
Il rivelatore di neutrini FASERnu osserva i neutrini ad alta energia prodotti dalle collisioni protone-protone nell’LHC. Si trova nel sottosuolo a 480 metri dal punto di collisione effettivo ed è costituito da strati alternati di piastre di tungsteno e film di emulsione in grado di rilevare tracce di particelle con una precisione nanometrica. Questo rivelatore da 1,1 tonnellate con tecnologia all’avanguardia è in funzione dal 2022. Nello studio attuale è stata analizzata una parte dei dati raccolti con il rivelatore FASERÎoe nel 2022. Si tratta solo del due per cento dei dati raccolti finora, quindi abbiamo ancora molta strada da fare", spiega Ariga, che guida il progetto FASERnu.
I neutrini ad alta energia come chiave per la nuova fisica?
Nell’esperimento FASER, il numero di neutrini rilevati verrà centuplicato nei prossimi anni per chiarire le questioni relative alle differenze tra i tre sottotipi di neutrini e alle possibili forze sconosciute. Il neutrino tau, il terzo sottotipo, è difficile da produrre e rilevare a basse energie. L’alta energia dell’esperimento FASER consente di generare e studiare i neutrini tau in modo più efficiente. Di questi neutrini si sa poco e potrebbero fornire nuove conoscenze fisiche", osserva Ariga. L’esperimento FASER continuerà a raccogliere dati fino alla fine del 2025.
Si prevede che gli esperimenti futuri, come l’esperimento di follow-up FASERÎoe2, raccoglieranno una quantità di dati oltre 10.000 volte superiore per ampliare in modo significativo queste indagini. Per poter rispondere un giorno a domande come "Perché l’universo è costituito principalmente da materia e solo in minima parte da antimateria?" o "Che cos’è la materia oscura?", è essenziale la scoperta di forze precedentemente sconosciute o di nuove particelle. Forse con i neutrini ad alta energia troveremo una "fisica non scoperta"", dice Ariga.
Le competenze dell’Università di Berna al CERN e al Fermilab
Il CERN è uno dei centri più rinomati per la fisica delle particelle e gestisce l’acceleratore di particelle più potente del mondo, l’LHC. L’Università di Berna non è solo attiva in questo importante centro internazionale con il FASER. È stata anche membro fondatore di ATLAS, il più grande rivelatore di particelle dell’LHC, e continua a svolgere un ruolo chiave nel suo funzionamento e nel suo ulteriore sviluppo. Anche il gruppo di ricerca di Akitaka Ariga è stato coinvolto in FASER fin dalla sua nascita.
Nella ricerca sui neutrini, l’Università di Berna è anche coinvolta nel Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), un esperimento di punta internazionale presso il centro di ricerca di fisica delle particelle Fermilab, vicino a Chicago (USA), in cui sono già attivi più di 1.000 ricercatori di oltre 30 Paesi e che genererà il fascio di neutrini più intenso del mondo.
Questo progetto è stato finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER) nell’ambito del programma di ricerca e innovazione dell’Unione europea Horizon 2020e sostenuto dalla Fondazione Heising-Simons e dalla Fondazione Simons.
