Il grande mistero del neutrino potrebbe indicare particelle mancanti

Nel 1993, profondo Nel sottosuolo del Los Alamos National Laboratory nel New Mexico, alcuni lampi di luce all’interno di un serbatoio di petrolio delle dimensioni di un autobus hanno dato il via a una storia poliziesca che deve ancora raggiungere la sua conclusione.

Il Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) era alla ricerca di esplosioni di radiazioni create dai neutrini, la più leggera e sfuggente di tutte le particelle elementari conosciute. “Con nostro grande stupore, è quello che abbiamo visto”, ha detto Bill Louis, uno dei leader dell’esperimento.

Il problema era che ne hanno visti troppi. I teorici avevano postulato che i neutrini potrebbero oscillare tra i tipi mentre volano, un’ipotesi che spiegava varie osservazioni astronomiche. LSND aveva deciso di testare questa idea puntando un fascio di neutrini muonici, uno dei tre tipi conosciuti, verso il serbatoio dell’olio, e contando il numero di neutrini elettronici che vi arrivavano. Eppure Louis e il suo team hanno rilevato molti più neutrini elettronici in arrivo nel serbatoio rispetto a quanto previsto dalla semplice teoria delle oscillazioni dei neutrini.

Da allora, sono stati costruiti dozzine di esperimenti sui neutrini, ognuno più grande dell’altro. Nelle montagne, nelle caverne minerarie in disuso e nel ghiaccio sotto il Polo Sud, i fisici hanno eretto cattedrali per queste particelle notoriamente scivolose. Ma poiché questi esperimenti hanno sondato i neutrini da ogni angolazione, hanno continuato a fornire immagini contrastanti di come si comportano le particelle. “La trama continua ad infittirsi”, ha detto Louis.

“È una storia molto confusa. Io lo chiamo il Giardino dei Sentieri che si biforcano”, ha detto Carlos Argüelles-Delgado, fisico dei neutrini dell’Università di Harvard. Nel racconto di quel titolo del 1941 di Jorge Luis Borges, il tempo si dirama in un numero infinito di possibili futuri. Con i neutrini, i risultati contraddittori hanno mandato i teorici lungo una varietà di percorsi, incerti su quali dati fidarsi e quali potrebbero portarli fuori strada. “Come in ogni romanzo poliziesco, a volte vedi degli indizi e ti portano nella direzione sbagliata”, ha detto Argüelles-Delgado.

Nel 1993, il Liquid Scintillator Neutrino Detector presso il Los Alamos National Laboratory ha riportato una sorprendente quantità di rilevamenti di neutrini. Rick Bolton, un ingegnere, è mostrato inginocchiato tra i tubi fotomoltiplicatori che rileverebbero la luce dalle interazioni dei neutrini all’interno del serbatoio una volta riempito con olio minerale.Per gentile concessione del Laboratorio Nazionale di Los Alamos

La spiegazione più semplice dell’anomalia LSND era l’esistenza di un nuovo, quarto tipo di neutrino, chiamato neutrino sterile, che mescola tutti i tipi di neutrino secondo nuove regole. I neutrini sterili permetterebbero ai neutrini muonici di oscillare più facilmente in neutrini elettronici a breve distanza dal serbatoio dell’olio.

Ma col passare del tempo, il neutrino sterile non si adattava ai risultati di altri esperimenti. “Avevamo la nostra teoria del campione, ma il problema era che altrove fallisce miseramente”, ha detto Argüelles-Delgado. “Eravamo molto immersi nella foresta e dovevamo uscire”.

Costretti a tornare sui propri passi, i fisici hanno ripensato a cosa c’è dietro la confusione di indizi e risultati a metà. Negli ultimi anni, hanno ideato nuove teorie che sono più complicate del neutrino sterile, ma che, se corrette, rivoluzionerebbero completamente la fisica, risolvendo contemporaneamente le anomalie nei dati di oscillazione del neutrino e altri importanti misteri della fisica. Non da ultimo, i nuovi modelli ipotizzano pesanti neutrini aggiuntivi che potrebbero spiegare la materia oscura, la sostanza invisibile che avvolge le galassie che sembra essere quattro volte più abbondante della materia normale.

Ora, quattro analisi rilasciate ieri dall’esperimento MicroBooNE al Fermi National Accelerator Laboratory vicino a Chicago e un altro studio recente dal rivelatore IceCube al Polo Sud entrambi suggeriscono che queste teorie più complesse sui neutrini potrebbero essere sulla strada giusta, anche se il futuro rimane tutt’altro che chiaro.

“Mi sento come se ci fosse qualcosa nell’aria”, ha detto Argüelles-Delgado. “È un ambiente molto teso che punta alla scoperta”.

Un rimedio disperato

Quando Wolfgang Pauli postulò l’esistenza del neutrino nel 1930 per spiegare dove l’energia stava scomparendo durante il decadimento radioattivo, lo chiamò un “rimedio disperato”. Il suo costrutto teorico non aveva massa o carica elettrica, il che gli fece dubitare che un esperimento potesse mai rilevarlo. “È qualcosa che nessun teorico dovrebbe mai fare”, scrisse nel suo diario all’epoca. Ma nel 1956, in un esperimento non dissimile da LSND, c’era il neutrino.

Triumph presto si è confuso quando i fisici hanno rilevato neutrini provenienti dal sole, una fonte naturale di particelle, e hanno trovato meno della metà del numero previsto dai modelli teorici delle reazioni nucleari delle stelle. Negli anni ’90 era chiaro che i neutrini si comportavano in modo strano. Non solo i neutrini solari sembravano scomparire misteriosamente, ma anche i neutrini che cadono sulla Terra quando i raggi cosmici si scontrano con l’atmosfera superiore.

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