L’esperimento Faser. Crediti: Cern
Se dovete spiegare a qualcuno il significato della parola “sfuggente”, parlategli dei neutrini. Li conosciamo, e in alcune condizioni sappiamo anche come osservarli, catturarli e addirittura produrli. Eppure, continuano a sfuggirci. Sono particelle prive di carica e con una massa piccolissima, talmente piccola che non è ancora stata misurata con precisione. Viaggiano quasi indisturbati nell’universo perché attraversano grosse porzioni di materia senza interagire con essa. Possono avere diversi sapori, a seconda della particella leptonica alla quale si associano (elettrone, muone, tauone), e fenomeni diversi ne producono con energia e caratteristiche diverse. Quelli prodotti da fenomeni astrofisici energetici nell’universo hanno energie molto elevate, quelli finora prodotti in laboratorio molto più basse. A metà fra le due, finora, non si era ancora visto nulla. Il 22 marzo scorso dal Large Hadron Collider, e più precisamente da un gruppo di lavoro chiamato Faser (il Forward Search Experiment, che fa ricerca sulle particelle debolmente interagenti), è arrivata una notizia: sono stati osservati per la prima volta, con un elevato grado di certezza statistica, dei neutrini muonici prodotti durante una collisione, proprio nel range intermendio di energia che era rimasto inespolorato.
Sebbene i neutrini siano prodotti in abbondanza nelle collisioni a Lhc, finora non era stato rilevato alcun neutrino prodotto in questo modo. Poco meno di due anni fa, la stessa collaborazione che oggi ha annunciato la scoperta aveva annusato la prima rivelazione. In un esperimento, appositamente ideato per identificare neutrini prodotti in seguito a una collisione fra particelle, erano stati trovati diversi candidati, ma nessuno con una significatività statistica sufficiente – ovvero, superiore a 3 sigma. A soli nove mesi dall’avvio del Run 3 di Lhc e dall’inizio della nuova campagna di misura, invece, l’osservazione di questi neutrini da collisione sembra certa. Quelli rilevati da Faser, in particolare, di neutrini muonici e candidati di neutrini elettronici. La significatività statistica della misura è di circa 16 sigma, ben oltre la soglia dei 5 sigma richiesta per annunciare una scoperta nella fisica delle particelle. Contemporaneamente al primo annuncio, anche l’esperimento Snd@Lhc – il complementare del primo al Cern – ha annunciato di aver rilevato otto candidati neutrini muonici. La loro significatività statistica, però, è un po’ più bassa e si aggira intorno ai 5 sigma.
L’esperimento Snd@Lhc. Crediti: Cern
Finora gli esperimenti sui neutrini hanno studiato solo i neutrini provenienti dallo spazio, dalla Terra, dai reattori nucleari o da esperimenti a bersaglio fisso. E mentre i neutrini astrofisici sono altamente energetici, come quelli che possono essere rilevati dall’esperimento IceCube al Polo Sud, i neutrini solari e dei reattori hanno generalmente energie inferiori. I neutrini degli esperimenti a bersaglio fisso, come quelli delle aree Nord e Ovest del Cern, hanno un’energia fino a qualche centinaio di gigaelettronvolt (GeV). Faser e Snd@Lhc, i due detector in uso per l’esperimento in corso, sono pensati invece per ridurre il divario tra i neutrini a bersaglio fisso e i neutrini astrofisici, coprendo un intervallo di energia molto più elevato, compreso tra alcune centinaia di GeV e diversi TeV (teraelettronvolt).
Portare avanti queste rilevazioni è fondamentale per comprendere meglio i neutrini ad alta energia provenienti dalle sorgenti astrofisiche. Infatti, il meccanismo di produzione dei neutrini all’Lhc, così come la loro energia di centro di massa, è lo stesso dei neutrini ad altissima energia prodotti nelle collisioni di raggi cosmici con l’atmosfera. Questi neutrini “atmosferici” costituiscono un fondo per l’osservazione dei neutrini astrofisici: le misure di Faser e Snd@Lhc possono essere utilizzate per stimare con precisione tale fondo, aprendo così la strada all’osservazione dei neutrini astrofisici. Un’altra applicazione di queste ricerche è la misurazione del tasso di produzione di tutti e tre i tipi di neutrini. Gli esperimenti hanno lo scopo di verificare l’universalità del loro meccanismo di interazione e misurare il rapporto tra le diverse specie di neutrini prodotti dallo stesso tipo di particella madre.
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