L’esperimento MicroBooNE non trova prove del “neutrino sterile” tanto ricercato

Gli scienziati stanno chiudendo la porta a una spiegazione per un mistero che affligge la fisica delle particelle da decenni. Una collaborazione internazionale di scienziati, di cui fanno parte ricercatori dell’Università del Michigan, ha annunciato di non aver trovato prove dell’esistenza della cosiddetta “batteria sterile” neutrino.”

Questo criostato aiuta a mantenere il rilevatore MicroBooNE a circa -250 gradi Fahrenheit, abbastanza freddo da garantire che l’argon sia liquefatto. MicroBooNE è lungo 40 piedi e può contenere un volume di 170 tonnellate. Credito immagine: collaborazione MicroBooNE

Questa nuova particella è stata proposta per spiegare i risultati di esperimenti avvenuti all’incirca all’inizio del 21° secolo che non potevano essere conciliati solo con i tre neutrini conosciuti. Ora, tuttavia, l’esperimento all’avanguardia MicroBooNE presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, o Fermilab, ha escluso il neutrino sterile come soluzione a quel problema con una certezza del 95%. Il gruppo di ricerca ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Nature.

I punti e le tracce qui sono particelle che emanano da una collisione tra un neutrino e un atomo di argon liquido nel rilevatore di MicroBoone. MicroBooNE può individuare queste particelle con precisione millimetrica. Credito immagine: collaborazione MicroBooNE

“MicroBooNE è esposto a due diversi fasci di neutrini mentre si utilizza lo stesso rilevatore. Ciò fornisce una sensibilità aggiuntiva e migliorata perché non si hanno le incertezze sistematiche che deriverebbero dall’utilizzo di rilevatori diversi”, ha affermato Giosuè Spitzprofessore di fisica alla UM e collaboratore che ha lavorato su MicroBooNE sin dal suo inizio.

“E la battuta finale è che, fondamentalmente, non vediamo nulla che non ci aspettavamo. Siamo in grado di escludere il neutrino sterile come spiegazione delle anomalie riscontrate negli esperimenti precedenti.”

Anomalie

I predecessori di MicroBooNE avevano rivelato che i neutrini si comportano in modo incoerente con il Modello Standard della fisica delle particelle, che spiega con successo molte delle particelle fondamentali e delle interazioni in atto nell’universo. E, sebbene il Modello Standard sia un trionfo della fisica moderna, gli scienziati sanno che presenta ancora alcuni buchi.

“Il modello standard fa un ottimo lavoro descrivendo una serie di fenomeni nel mondo naturale”, ha affermato Matthew Toups, scienziato senior del Fermilab e co-portavoce di MicroBooNE. “E allo stesso tempo sappiamo che è incompleto. Non tiene conto della materia oscura, dell’energia oscura o della gravità.”

Quando gli esperimenti sui neutrini iniziarono a mostrare incoerenze con il Modello Standard, aprirono percorsi entusiasmanti per scoprire potenzialmente nuova fisica e affrontare i deficit del Modello Standard.

Secondo il Modello Standard esistono tre tipi, o sapori, di neutrino: muone, elettrone e tau. I neutrini possono cambiare o oscillare tra questi sapori, passando, ad esempio, da un neutrino muonico a un neutrino elettronico. Gli scienziati studiano da decenni il modo in cui oscillano i neutrini, fornendo una solida base per comprendere la frequenza con cui i neutrini cambiano naturalmente sapore.

Il rilevatore di neutrini a scintillatore liquido, o LSND, presso il Los Alamos National Laboratory ha sollevato i primi indizi che la nostra comprensione non era del tutto in linea con la realtà nel 1995. Il Fermilab ha quindi lanciato un esperimento chiamato MiniBooNE per verificare i risultati dell’LSND. Entrambi gli esperimenti hanno effettuato osservazioni che suggeriscono che i neutrini muonici oscillano in neutrini elettronici su distanze più brevi di quelle possibili con solo tre sapori di neutrini.

“Hanno visto un cambiamento di sapore su una scala di lunghezza che semplicemente non è coerente con la presenza di soli tre neutrini”, ha affermato Justin Evans, professore all’Università di Manchester e co-portavoce di MicroBooNE. “E la spiegazione più popolare negli ultimi 30 anni per spiegare l’anomalia è che esiste un neutrino sterile.”

Ora MicroBooNE ha escluso questa spiegazione.

Guardando avanti

I ricercatori hanno avanzato altre ipotesi per spiegare le anomalie, ha affermato Spitz dell’UM. Una linea di pensiero è che ci siano “incognite sconosciute” nella progettazione, nel funzionamento o nell’interpretazione degli esperimenti precedenti che danno origine alla comparsa di oscillazioni troppo brevi.

“L’altro percorso è che si possa iniziare a pensare all’esistenza di più di un neutrino sterile che partecipa alle oscillazioni”, ha detto Spitz.

Potrebbero esserci anche spiegazioni oltre ai neutrini sterili, ha detto Beniamino Bogartdottorando presso l’UM e coautore del nuovo studio. MicroBooNE e il più recente Short-Baseline Neutrino Program, o SBN, potrebbero aiutare a esplorare queste possibilità.

“Sebbene abbiamo chiuso la porta a un singolo neutrino leggero sterile, MicroBooNE e SBN continuano ad aprire le porte a tutta una serie di altri scenari, a volte più complessi e più interessanti, oltre il Modello Standard”, ha affermato Bogart.

Il programma SBN aggiunge un potente approccio multirivelatore con un rilevatore vicino e un rilevatore lontano per determinare se un modello più complicato possa spiegare le anomalie LSND e MiniBooNE. ICARUS, il rilevatore lontano del programma, ha iniziato a acquisire dati sui raggi al Fermilab nel 2021 e lo Short-Baseline Near Detector, o SBND, ha iniziato a acquisire dati nel 2024. Sia Bogart che Spitz sono anche collaboratori dell’esperimento SBND.

Se da un lato questi esperimenti forniscono informazioni senza precedenti sul funzionamento dell’universo, dall’altro stanno anche preparando la prossima generazione di esperti. Ad esempio, metà dei ricercatori di MicroBooNE, che coinvolge quasi 200 provenienti da 40 istituzioni in sei paesi, sono studenti o dottorandi.

Ciò include Bogart.

“Sono molto grato per come sono andate le cose nel corso del mio dottorato, dove ho moltissimi dati da MicroBooNE per l’analisi”, ha affermato Bogart, che ha notato che MicroBooNE ha iniziato a raccogliere dati quando era al decimo anno. “Ma ho anche potuto aiutare in parte nell’assemblaggio di SBND. Quindi mi trovo praticamente agli estremi opposti della vita di entrambi questi esperimenti, il che rappresenta un’opportunità unica e speciale di cui sono davvero molto grato.”

Fonte: Università del Michigan