Il team inserisce la camera di proiezione temporale nel criostato MicroBooNE. Crediti: Reidar Hahn, Fermilab
I nuovi risultati dell’esperimento MicroBooNE presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (Doe) stanno infliggendo un (altro) duro colpo alla particella teorica nota come neutrino sterile. Per più di due decenni, questo ipotetico quarto neutrino ha rappresentato una spiegazione promettente per le anomalie osservate in precedenti esperimenti di fisica delle particelle. Trovare questa nuova particella sarebbe una scoperta fondamentale e un cambiamento radicale nella nostra comprensione dell’universo. Tuttavia, quattro analisi complementari rilasciate dalla collaborazione internazionale MicroBooNE e presentate recentemente durante un seminario, mostrano la stessa cosa: nessun segno del neutrino sterile. I risultati delle analisi sono infatti coerenti con ciò che prevede il Modello standard: tre tipi di neutrini, non uno di più, né uno di meno.
I neutrini sono una delle particelle fondamentali in natura. Sono neutri, incredibilmente piccoli e sono le particelle dotate di massa più abbondanti nell’universo, anche se raramente interagiscono con altra materia. Sono particolarmente intriganti per i fisici, che da tempo si domandano perché sono così incredibilmente piccoli e se sono i diretti responsabili del dominio della materia sull’antimateria, nell’universo.
MicroBooNE è un rilevatore di neutrini in funzione dal 2015. Utilizza speciali sensori e più di 8000 cavi accuratamente collegati per catturare le tracce delle particelle. È alloggiato in un contenitore cilindrico lungo 12 metri riempito con 170 tonnellate di argon liquido puro. I neutrini che attraversano il liquido denso e trasparente rilasciano altre particelle che l’elettronica può registrare. Le immagini tridimensionali che l’esperimento riesce a produrre mostrano i percorsi dettagliati delle particelle e, soprattutto, permettono di distinguere gli elettroni dai fotoni.
I neutrini noti sono di tre tipi: elettronico, muonico e tauonico, che possono trasformarsi l’uno nell’altro mentre viaggiano. Questo fenomeno è chiamato oscillazione del neutrino. Gli scienziati possono usare ciò che sanno di queste oscillazioni per prevedere quanti neutrini di qualsiasi tipo si aspettano di trovare quando li misurano a varie distanze dalla loro sorgente.
L’avanzata tecnologia ad argon liquido di MicroBooNE consente ai ricercatori di acquisire immagini dettagliate delle tracce delle particelle. Questo evento di neutrini elettronici mostra uno sciame di elettroni e una traccia di protoni. Crediti: MicroBooNE Collaboration
I neutrini sono prodotti da molte sorgenti, tra cui il Sole, l’atmosfera, i reattori nucleari e gli acceleratori di particelle. A partire da circa due decenni fa, i dati di due esperimenti con fasci di particelle hanno lasciato i ricercatori piuttosto perplessi.
Negli anni ’90, l’esperimento Liquid Scintillator Neutrino Detector (Lsnd) presso il Los Alamos National Laboratory del Doe ha visto più interazioni di particelle del previsto. Nel 2002, l’esperimento di follow-up MiniBooNE al Fermilab – che ha iniziato a raccogliere dati per studiare il risultato di Lsnd in modo più dettagliato – ha anch’esso confermato più eventi di quanti ne fossero previsti dai calcoli. I neutrini sterili potrebbero spiegare questi strani risultati.
Ma se i neutrini sono difficili da rilevare, quelli sterili sono ancora più sfuggenti, rispondendo solo alla forza di gravità. Siccome i neutrini fluttuano tra i diversi tipi, un neutrino sterile potrebbe influenzare il modo in cui oscillano i neutrini, lasciando la sua firma nei dati.
Il rivelatore MiniBooNE aveva una limitazione, che MicroBooNE ha superato: non era in grado di distinguere tra elettroni e fotoni in prossimità del punto in cui interagiva il neutrino. Questa ambiguità non permise di chiarire quali particelle stavano emergendo dalle collisioni. Sarebbe come avere una scatola di cioccolatini: MiniBooNE potrebbe dirvi che la scatola contiene una dozzina di pezzi, ma MicroBooNE è in grado di dirvi quali hanno mandorle e quali caramello.
Se MiniBooNE avesse davvero visto più elettroni del previsto, ciò indicherebbe neutrini elettronici extra che causano le interazioni e un qualcosa di inaspettato nelle oscillazioni di cui i ricercatori non avevano tenuto conto: la presenza di neutrini sterili. Ma se i fotoni fossero la causa dell’eccesso, sarebbe probabilmente un processo di fondo piuttosto che oscillazioni impazzite e una nuova particella.
Per vederci più chiaro nei risultati di MiniBooNE, nel 2007 è nata l’idea di MicroBooNE.
I rack elettronici di MicroBooNE si trovano appena sopra il rilevatore, su una piattaforma che blocca quantità significative di radiazioni cosmiche che potrebbero influire sull’accuratezza dei risultati. Crediti: Reidar Hahn, Fermilab
I primi tre anni di dati di MicroBooNE non hanno mostrato alcun eccesso di elettroni. Ma non hanno mostrato nemmeno un eccesso di fotoni. «Non vediamo quello che ci saremmo aspettati da un segnale simile a quello di MiniBooNE, né elettroni né i più probabili fotoni», ha affermato lo scienziato del Fermilab Sam Zeller. «Ma i dati precedenti di MiniBooNE non mentono. Sta succedendo qualcosa di veramente interessante che dobbiamo ancora spiegare».
MicroBooNE ha escluso la sorgente più probabile di fotoni come causa degli eventi in eccesso di MiniBooNE con una confidenza del 95 per cento e ha escluso gli elettroni come unica fonte con una confidenza superiore al 99 per cento.
Tuttavia, non è ancora detta l’ultima parola. MicroBooNE ha ancora metà dei suoi dati da analizzare e più modi per analizzarli. I suoi risultati sono un entusiasmante punto di svolta nella ricerca sui neutrini. Mentre le prime analisi hanno preso in considerazione il neutrino sterile, ulteriori analisi potrebbero fornire maggiori informazioni su possibilità esotiche, tra cui materia oscura, particelle tipo assioni, l’ipotetico bosone Z-primo e altro ancora. Inoltre, non è ancora escluso che si tratti di un neutrino sterile, nascosto in modi ancora più inaspettati.