I primi risultati di NOvA sui neutrini

NOvA experiment sees first long-distance neutrinos

(Credit: Fermilab).

Inaugurato nel 2013, NOvA (NuMI Off-Axis Electron-neutrino Appearance Experiment) è un esperimento volto a studiare le caratteristiche dei neutrini, in modo particolare le transizioni dal sapore muonico a quello elettronico. È arrivato ieri l’annuncio della prima rilevazione di neutrini per questa nuova generazione di esperimenti: un fascio di particelle generato al Fermilab di Chicago è stato spedito nella direzione di due rivelatori, uno vicino alla sorgente e l’altro nel Minnesota, ad Ash River, abbastanza lontano per permettere ai neutrini di cambiare sapore durante il loro tragitto. 

Benché la costruzione dell’intero apparato sperimentale non sia ancora del tutto terminata, lo schema riportato in apertura mostra il dettaglio delle prime interazioni tra neutrini catturate da NOvA. La linea rossa tratteggiata rappresenta il fascio di neutrini generato al Fermilab in Illinois e inviato attraverso 500 miglia al rivelatore lontano. L’immagine a sinistra è una rappresentazione semplificata a 3D del rivelatore in cui è evidenziata l’interazione. NOvA è dotato di un sensore di 14mila tonnellate situato nel laboratorio di Ash River (Soudan) in Minnesota, distante 735 chilometri dalla sorgente neutrinica del Fermilab in Illinois. Per colpirlo il fascio di neutrini ha attraversato tre Stati: Illinois,Wisconsin, Lago Superiore (la crosta terrestre sottostante) e il Minnesota.

NOvA è concepito per rispondere a tre domande fondamentali della nuova Fisica del Neutrino inaugurata al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso dell’Infn anche grazie all’esperimento “Cern Neutrinos To Gran Sasso”: possiamo osservare solo l’oscillazione dei neutrini muonici in elettronici? Qual è la massa (o quali sono le masse) del neutrino? Qual è e cos’è la simmetria tra materia ed antimateria? La prima fase dell’esperimento durerà sei anni. Ci si aspetta molto da questa collaborazione che conta su oltre 180 scienziati di 34 istituzioni e laboratori scientifici provenienti dagli USA e dal mondo intero, soprattutto ora che l’oscillazione in gioco è stata già confermata dai responsabili dell’esperimento TK2 in Giappone questa estate, in occasione di una conferenza internazionale tenutasi alla European Physical Society.

La scoperta conferma un risultato preliminare ottenuto nel 2011 dallo stesso esperimento e apre le porte a nuove ipotesi sulla prevalenza della materia sull’antimateria nei primi istanti della vita dell’Universo dopo il del Big Bang. I nuovi risultati escludono che si tratti di fluttuazioni statistiche con un grado di confidenza molto alto. In termini tecnici, grazie a una quantità di dati 3,5 volte maggiore, i risultati raggiunti hanno una significatività statistica di 7,5 sigma (contro le 2,5 di due anni fa). Di conseguenza, l’evento osservato ha una probabilità di essere stato prodotto da una fluttuazione casuale pari a un caso su 1000 miliardi.

Ricapitoliamo. I neutrini possono avere tre differenti identità o “sapori”: muonico, tauonico ed elettronico, e possono passare da un sapore ad un altro durante la loro propagazione mediante un processo che i fisici hanno battezzato “oscillazione”. Questo fenomeno è stato teorizzato per la prima volta dal fisico italiano Bruno Pontecorvo nel 1957 e, qualche anno dopo, i suoi effetti sono stati osservati grazie all’esperimento Homestake di Ray Davis, in cui si rilevò un deficit di neutrini elettronici prodotti dal Sole. Ecco una prima conferma dell’ipotesi che i neutrini cambiano a volte sapore durante il viaggio verso la Terra. Con una partecipazione di ricercatori italiani dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN),  la collaborazione internazionale T2K ha dimostrato in modo definitivo un’oscillazione di questa particella tra due sapori – da muonico a elettronico – prevista solo sul piano teorico ma a cui ancora mancava una conferma dai laboratori sperimentali. Come reso pubblico alla conferenza della “European Physical Society” a Stoccolma, grazie al rivelatore Super-Kamiokande, T2K ha rilevato in modo definitivo l’oscillazione da neutrino muonico a neutrino elettronico, confermando le tesi già avanzate nel 2011.

Nell’ esperimento T2K in Giappone un fascio di neutrini muonici viene prodotto dal Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) che si trova nel villaggio di Tokai sulla costa orientale del Giappone. Il fascio di neutrini viene monitorato da un complesso rivelatore a Tokai e finalizzato al gigantesco rivelatore sotterraneo Super-Kamiokande in Kamioka, nei pressi della costa occidentale del Giappone, a 295 km di distanza dal Tokai. L’analisi dei dati del Super-Kamiokande, associata al tempo di percorrenza del fascio di neutrini dal J-PARC, rivela che ci sono neutrini elettronici (per un totale di 28 eventi), una percentuale maggiore di quanto previsto (4,6 eventi) senza questo nuovo processo. (Nell’immagine sopra, rappresentazione di una oscillazione di neutrini, crediti: Tk2 Experiment/Japan).

“Il risultato di T2K è di grande rilevanza per due aspetti: da una parte, è la prima volta che abbiamo una chiara prova sperimentale che, durante un viaggio di qualche centinaio di chilometri, in un fascio composto solo da neutrini di tipo muonico compaiono dei neutrini di tipo elettronico; dall’altra, il risultato di T2K offre promettenti prospettive per la scoperta, in un giorno non troppo lontano, di un affascinante fenomeno mai visto sinora nel mondo dei neutrini, la cosiddetta violazione della simmetria CP”, spiega Antonio Masiero, vicepresidente dell’INFN. “Potrebbe essere la causa ultima della prevalenza della materia sull’antimateria nei primissimi istanti dell’universo dopo il big bang”. Lo studio delle conseguenze di questa oscillazione sarà importante per comprendere meglio la violazione della simmetria CP (carica-parità) che prevede una distinzione in processi fisici che coinvolgono la materia e antimateria – fenomeno fino ad ora osservato solo per i quark. Si pensa, infatti, che nell’Universo primordiale la violazione CP nel caso dei neutrini possa aiutare a capire come mai nel nostro Universo domina la materia (e non l’antimateria). (Fonte: http://www.interactions.org/cms/?pid=1033083. phys.org/news/2014-02-nova-long-distance-neutrinos.html).

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