Rivelatori di antineutrini nella struttura n.3 di Daya Bay. I rivelatori si trovano all’interno di una piscina riempita di acqua ultrapurificata.
Credit: Università della California – Lawrence Berkeley National Laboratory
Sono oltre 200 gli scienziati che collaborano al Daya Bay Experiment per studiare la sottile trasformazione delle particelle subatomiche alla ricerca del cosiddetto neutrino sterile, una particella la cui esistenza fino ad oggi è solo ipotizzata e che si andrebbe ad aggiungere ai tre “sapori”, o tipi, di neutrino ad oggi noti: quello elettronico, il muonico ed il tauonico.
L’oscillazione del neutrino è un fenomeno quantistico grazie al quale questa particella può “cambiare sapore”, ovvero trasformarsi in una delle altre categorie conosciute. I neutrini interagiscono solo tramite interazione debole con la materia, per cui sono necessari mega-rivelatori per catturarli. Quelli esistenti nei tre sapori oscillano continuamente fra essi e la probabilità di misurare uno specifico sapore varia periodicamente durante la propagazione del neutrino stesso. I neutrini non hanno carica e hanno masse piccolissime, almeno 500.000 di volte più piccole della massa dell’elettrone.
C’è una forte motivazione teorica alla base dell’ipotesi dell’esistenza del neutrino sterile. Molti esperimenti condotti in merito fino ad oggi hanno avuto risultati tali da suggerirne l’esistenza, altri hanno avuto risultati negativi. Il Daya Bay Experiment ha accumulato uno tra i più grandi campioni di dati sui neutrini al mondo, ed ha tutte le carte in regola per fare chiarezza sull’esistenza o meno di quelli così misteriosi di sapore sterile.
Le strutture del Daya Bay Experiment si trovano nei pressi della Daya Bay, 55 chilometri a nord est di Hong Kong, vicino agli impianti nucleari di Ling Ao, in Cina. I reattori dell’impianto di Ling Ao producono un flusso costante ed ininterrotto di antineutrini che gli scienziati della Daya Bay Collaboration utilizzano per le ricerche con rivelatori posizionati a differenti distanze dai reattori.
L’esperimento ha avuto inizio il 24 dicembre 2011 e nel marzo 2012 è stato dato l’annuncio del primo risultato: l’osservazione di un nuovo tipo di oscillazione del neutrino – prova che queste particelle si mescolano e cambiano “sapore” passando dall’uno all’altro tipo – e una precisa determinazione dell’angolo di mixing dei neutrini, indicato con θ13, che rappresenta la misura definitiva del mixing di almeno tre stati di massa dei neutrini.
Il fatto che i neutrini abbiano una massa rappresenta una scoperta relativamente nuova, il fenomeno di oscillazione implica che la massa dei neutrini sia non nulla, fatto non previsto dal Modello Standard della fisica delle particelle. Il meccanismo di generazione della massa dei neutrini è tuttora un problema aperto e dibattuto, gli scienziati non sono infatti in grado di misurare in modo esatto la massa del neutrino, ma sono in grado di misurare le differenze che esistono tra essi, ossia il “frazionamento di massa”. Gli scienziati sanno anche che queste particelle sono marcatamente meno massive rispetto agli elettroni, nonostante entrambi facciano parte della famiglia di particelle chiamate leptoni.
Tali inaspettate osservazioni hanno fatto ipotizzare che questi neutrini, elettricamente neutri e quasi impercettibili, rappresentino uno speciale tipo di materia e siano una componente molto importante della massa dell’universo. Alcuni fisici sono convinti che, se esistono, i neutrini sterili – che avrebbero una massa leggermente superiore agli altri – potrebbero spiegare il mistero della materia oscura.
Atteso che la natura della materia, e in particolare le proprietà della massa, rappresenta uno dei quesiti fondamentali per la scienza, queste scoperte sui neutrini rendono chiaro quanto sia importante la ricerca di altre particelle neutre leggere che possano essere partner dei neutrini attivi, e possano dunque rappresentare almeno una parte della materia oscura dell’universo.
Alcuni esperimenti che sono stati condotti presso il reattore nucleare di Daya Bay suggeriscono che la quantità di neutrini prodotti è circa il 6% inferiore a quanto ci si aspetta dai calcoli. Ciò potrebbe essere interpretato come una evidenza dell’esistenza di altri neutrini che si “mescolano”, per così dire, con gli altri tre noti. Misurare la scomparsa di neutrini non è strano come sembra. È in questo modo che gli scienziati del Daya Bay misurano le oscillazioni del neutrino.
Gli scienziati contano quanti dei milioni di quadrilioni di antineutrini elettronici prodotti ogni secondo dai sei reattori dell’impianto nucleare cinese siano catturati dai rivelatori disposti nelle tre sale sperimentali costruite a varie distanze rispetto ai reattori. I rivelatori sono sensibili solamente agli antineutrini elettronici. Il computo del numero di essi che scompare nel tragitto verso il reattore più distante da loro l’informazione su quante particelle abbiano cambiato sapore.
Il tasso di trasformazione è la base per effettuare le misurazioni dell’angolo di mixing, ed il frazionamento di massa è determinato dall’energia del neutrino e dalla distanza tra il reattore ed il rivelatore. Tale distanza è indicata anche come “linea di base”.
Con sei rilevatori strategicamente posizionati in tre separate sedi con lo scopo di catturare antineutrini generati dalle tre coppie di reattori, Daya Bay offre un’opportunità unica per la ricerca del neutrino sterile.
L’esperimento ha effettuato la sua prima ricerca di un neutrino sterile utilizzando la dipendenza energetica di antineutrini elettronici rilevati dai reattori. Nell’intervallo di massa dell’ipotetica particella accessibile all’esperimento, che rappresenterebbe il quarto sapore del neutrino, al Daya Bay non si è reperita alcuna prova della sua esistenza.
Questo dato rappresenta il risultato più accurato sulla ricerca di neutrini sterili ad oggi disponibile, essendo stata fatta l’osservazione su un a quantità di masse tanto ampio, e supporta comunque lo scenario proposto dei tre sapori del neutrino, quelli sì ormai noti.
Il nuovo risultato di Daya Bay restringe notevolmente l’area inesplorata, ma data l’importanza delle ricadute eventuali che una prova della sua esistenza avrebbe, la ricerca del neutrino sterile non finisce qui.