Colmare il divario tra previsione e osservazione nella fisica dei neutrini
I neutrini sono particelle elusive, in primis perché la loro massa è molto più piccola delle altre particelle elementari note, e in secondo luogo non sono spiegate da quello che viene chiamato «modello standard della fisica delle particelle. In aggiunta, poiché la loro interazione con la materia è molto debole, possono passare attraverso la Terra quasi senza essere individuati. Esistono tre tipi noti di neutrini: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tau. Ma esiste la possibilità che ve ne sia un quarto, definito «sterile» perché interagirebbe ancora meno con la materia. Per mezzo di esperimenti terrestri e sonde di cosmologia complementari, il progetto ENCORE, supportato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, ha creato strumenti di calcolo e metodi statistici per calcolare le previsioni teoriche di diversi fenomeni di neutrini, confrontati successivamente con i risultati sperimentali per sviluppare modelli accurati. «Anche se questi strumenti erano già conosciuti e sono piuttosto semplici, applicarli nella fisica dei neutrini per la prima volta è stato entusiasmante», spiega Stefano Gariazzo che lavora al centro comune di ricerca presso l’Istituto di Fisica Corpuscolare (IFIC). Il centro è affiliato sia al Consiglio di ricerca nazionale spagnolo (CSIC), che ha ospitato il progetto, che all’Università di Valencia.
Dai reattori nucleari all’Universo primordiale
ENCORE si è avvalso di esperimenti terrestri per affrontare i problemi correlati al calcolo teorico di un’anomalia di reattore nucleare. I reattori nucleari sono una fonte eccellente di neutrini, ma in molti esperimenti il numero previsto di neutrini elettronici non corrisponde alle osservazioni. Per far sì che il loro modello corrisponda il più possibile a queste osservazioni, il team ENCORE ha adeguato i valori dei parametri del loro modello. «In definitiva non abbiamo raggiunto una corrispondenza, eravamo fuori di qualche punto percentuale. Tuttavia, il nostro approccio è importante per comprendere meglio il comportamento dei reattori nucleari e potrebbe essere utilizzato per monitorarli, per prevenire lo sviluppo di armi nucleari», dice Gariazzo dall’Università di Valencia. Sapendo quanti neutrini sono prodotti da ciascun isotopo del reattore significa che, misurando i neutrini in uscita, è possibile accertare la composizione di un reattore. Ciò significa che si possono rilevare i cambiamenti di combustibile, il che suggerirebbe che alcuni di essi sono stati dirottati verso armi nucleari. Mentre le informazioni più antiche sull’espansione dell’Universo, come i dati della radiazione cosmica di fondo, favoriscono una struttura a tre neutrini, il team ha utilizzato la cosmologia per indagare sulla possibilità di un quarto. ENCORE ha effettuato i primi calcoli completi delle oscillazioni dei neutrini nell’Universo primitivo, basati su quattro neutrini. Il team ha anche effettuato il primo calcolo di «ammasso di neutrini relitti», dove i neutrini cosmici si accumulano a causa del potenziale gravitazionale delle grandi strutture cosmologiche vicino alla Terra. I precedenti calcoli tenevano conto solo della Via Lattea, mentre ENCORE ha considerato le galassie vicine e i gruppi di galassie. Questo è importante, perché l’aumento del volume dei neutrini rilevabili aiuta a comprendere ulteriormente queste particelle elusive. «Tutti questi risultati pongono dei limiti ai parametri che descrivono le oscillazioni dei diversi tipi di neutrini. Questo aiuterà gli studi futuri a stabilire se ci sono tre o più neutrini», aggiunge Sergio Pastor, supervisore del progetto presso l’IFIC di Valencia.
Uno sforzo continuo
Il team sta ora lavorando al modo per utilizzare i risultati di ENCORE all’interno del codice PArthENoPE per la nucleosintesi primordiale che calcola la produzione di nuclei luminosi durante la prima vita dell’Universo. Ora i parametri dei modelli ENCORE saranno continuamente aggiornati man mano che nei prossimi anni verranno resi pubblici nuovi dati. I modelli attingeranno ai dati di DESI e Euclide nel contesto cosmologico. I dati di JUNO, ORCA e STEREO forniranno informazioni sui reattori e sui neutrini atmosferici.
Parole chiave
ENCORE, neutrino, cosmologia, nucleare, reattore, subatomico, particella, fisica, Terra, galassia, Via Lattea, modello standard
