Non ci sono prove dell’esistenza di neutrini sterili - un quarto tipo di neutrino di particelle elementari. Lo dimostra la collaborazione internazionale MicroBooNE presso il centro di ricerca statunitense Fermilab con la partecipazione dell’Università di Berna. I risultati confermano il modello standard della fisica delle particelle ed escludono la possibilità che i neutrini sterili siano la spiegazione di alcune anomalie nei precedenti esperimenti di fisica.
I neutrini sono minuscole particelle elementari che hanno svolto un ruolo importante nelle prime fasi dell’universo. Sebbene siano tra le particelle più comuni dell’universo, sono anche tra le più misteriose. Questo perché i neutrini interagiscono raramente con altra materia, motivo per cui sono noti anche come "particelle fantasma". Le domande fondamentali sulla fisica dei neutrini sono ancora senza risposta, come ad esempio il modo in cui ottengono la loro massa e il ruolo che svolgono nel fatto che nell’universo c’è più materia che antimateria. La loro esistenza è nota da diversi decenni e tre tipi di neutrini hanno svolto un ruolo importante nello sviluppo del cosiddetto modello standard della fisica delle particelle, noto anche come "formula del mondo". Questo modello offre una spiegazione dell’universo e descrive i più piccoli elementi costitutivi della materia e le loro interazioni. Tuttavia, gli esperimenti precedenti hanno mostrato risultati di misurazione inaspettati che non possono essere spiegati dalla precedente comprensione dei neutrini. Per spiegare queste anomalie, i ricercatori sospettano l’esistenza di un quarto tipo di neutrino, precedentemente non scoperto: i neutrini sterili.
Tuttavia, i nuovi risultati del cosiddetto esperimento MicroBooNE presso il centro di ricerca di fisica delle particelle Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), vicino a Chicago (USA), escludono ora molto probabilmente questa possibilità dopo diversi anni di ricerca: Il gruppo di ricerca, con la partecipazione di ricercatori del Laboratory for High Energy Physics (LHEP) e dell’Albert Einstein Centre for Fundamental Physics (AEC) dell’Università di Berna, non ha trovato alcuna prova di un quarto tipo di neutrino. I risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista scientifica Nature.
L’enigmatica particella di neutrino
I neutrini sono da tempo al centro di intense ricerche. Vengono creati in molti luoghi, ad esempio nel sole, nell’atmosfera, nei reattori nucleari o negli acceleratori di particelle. Tuttavia, poiché interagiscono raramente con altra materia, sono difficili da rilevare e per questo vengono spesso definiti "particelle fantasma". Tuttavia, possono essere visualizzati e studiati indirettamente utilizzando speciali rivelatori di particelle.
I neutrini possono passare da un tipo all’altro - neutrini elettronici, muonici e tau - in un modo particolare, noto come "oscillazione dei neutrini". Negli anni ’90, un esperimento negli Stati Uniti che studiava le oscillazioni dei neutrini ha mostrato un numero di interazioni tra le particelle superiore a quello previsto dalla teoria. Una spiegazione popolare per questo risultato insolito era l’ipotesi di un quarto tipo di neutrino, i cosiddetti neutrini sterili. Tuttavia, questa ipotetica particella sarebbe ancora più difficile da rilevare rispetto ai suoi "parenti" conosciuti e reagirebbe solo alla gravità. con la tecnologia dei rivelatori disponibili all’epoca, tuttavia, i neutrini erano meno affidabili da misurare. Ecco perché nel 2007 è nata l’idea dell’esperimento MicroBooNE", spiega Michele Weber, direttore del Laboratory for High Energy Physics (LHEP) ed ex direttore scientifico dell’esperimento MicroBooNE.
Misure di precisione con il rivelatore di argon liquido di Bernese
Il rivelatore MicroBooNE è stato utilizzato nel Booster Neutrino Beam (BNB) del Fermilab dal 2015 al 2021 per verificare l’esistenza di neutrini sterili. Il rivelatore si trova in un contenitore cilindrico lungo 12 metri riempito con 170 tonnellate di argon liquido puro. Il rivelatore ha utilizzato anche il fascio NuMI del Fermilab. Questa sorgente a doppio fascio ha permesso ai ricercatori di ridurre le incertezze nelle misurazioni e di escludere quasi l’intera area in cui potrebbe nascondersi un singolo neutrino sterile. Grazie al rivelatore, la collaborazione MicroBooNE, composta da ricercatori di 40 istituzioni di sei Paesi diversi, è stata in grado di scattare immagini 3D di alta precisione degli eventi di neutrino e di studiare le interazioni in dettaglio. la tecnologia con l’argon liquido è stata sviluppata qui all’Università di Berna. In alcuni momenti, una decina di ricercatori del Laboratorio di Fisica delle Alte Energie e del Centro Albert Einstein per la Fisica Fondamentale (AEC) sono stati coinvolti nella collaborazione e hanno contribuito allo sviluppo e alla costruzione del rivelatore", spiega Weber.
Nessuna traccia di neutrini sterili
Gli ultimi risultati di MicroBooNE sono stati pubblicati e non mostrano alcuna traccia di neutrini sterili. I risultati corrispondono quindi a quelli dell’esperimento MicroBooNE del 2021. Con questo nuovo risultato, MicroBooNE è stato in grado di escludere con il 95% di certezza la spiegazione delle anomalie degli esperimenti precedenti con un singolo neutrino sterile. naturalmente una scoperta è sempre più emozionante, ma i risultati non sono meno significativi. Mostrano di cosa sono capaci oggi i moderni rivelatori di neutrini e rispondono definitivamente a una domanda fondamentale della fisica", spiega Weber. i risultati motiveranno i fisici a cercare ulteriori spiegazioni per le anomalie", continua Weber.
Ulteriori ricerche sui neutrini
L’esperimento MicroBooNE non solo ha contribuito a chiarire questo mistero dei neutrini, ma ha anche fornito preziose indicazioni sulle interazioni dei neutrini nell’argon liquido. Queste scoperte sono fondamentali per esperimenti futuri come il Deep Underground Neutrino Experiment DUNE del Fermilab, che coinvolge più di 1.400 ricercatori di oltre 200 istituti in tutto il mondo e utilizza la stessa tecnologia dell’argon liquido. DUNE è l’esperimento sui neutrini più completo al mondo. I ricercatori dell’Università di Berna stanno contribuendo al componente principale del cosiddetto "near detector", progettato per rilevare i neutrini subito dopo la loro creazione.
MicroBooNE ha ricevuto finanziamenti, tra gli altri, dal Fondo Nazionale Svizzero per la Scienza e dal Centro Albert Einstein per la Fisica Fondamentale.
