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The Elusives Enterprise: Asymmetries of the Invisible Universe

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I neutrini e le particelle di materia oscura aprono una finestra sull’universo asimmetrico

Una discrepanza nel comportamento di neutrini e antineutrini e le asimmetrie che potrebbero nascondersi all’interno della materia nera invisibile potrebbero fornire indizi a un persistente mistero cosmico: perché è presente più materia che antimateria?

Ricerca di base

I neutrini sono fra le particelle più abbondati dell’universo, eppure rimangono misteriosi. Sono talmente sfuggenti che le loro proprietà sono ancora in fase di studio. I primi segni di cambiamento nel comportamento dei neutrini quando vengono sostituiti con antineutrini, il che rappresenta una forma di violazione della simmetria CP (Charge-Parity, ovvero carica-parità), forniscono un indizio importante in merito alla preponderanza della materia sull’antimateria. Un altro campo in cui si potrebbero nascondere fonti ulteriori di violazione della simmetria CP è rappresentato dal settore invisibile della materia oscura. Le asimmetrie nei campi di rotazione degli assioni (particelle ipotetiche su cui si sono create molte aspettative come promettenti candidate per la materia oscura) sono ora considerate come una possibile spiegazione del motivo per cui l’universo non è vuoto. Finanziato grazie al programma Marie Skłodowska-Curie, ELUSIVES è una rete di formazione iniziale che si concentra sulla fenomenologia del neutrino e della materia oscura. Una ricerca principale consisteva nello studiare il modo in cui questi campi si connettono, in particolare per quanto riguarda la spiegazione del perché la simmetria CP sembra verificarsi solo in alcuni casi, ma non in altri. La rete ha raggiunto progressi significativi, tra cui oltre 280 pubblicazioni scientifiche.

L’origine della massa del neutrino e i misteri dell’antimateria

L’esperimento T2K in Giappone ha riportato finora il suggerimento più valido secondo cui la simmetria CP sia violata dalle interazioni deboli di leptoni. I risultati hanno indicato discrepanze tra le oscillazioni dei neutrini, in particolare nel modo in cui i neutrini muonici si trasformano in neutrini elettronici e in quello secondo cui gli antineutrini muonici si trasformano in antineutrini elettronici, a un livello di confidenza di 3σ. Le analisi dettagliate dei dati relativi alle oscillazioni dei neutrini hanno portato i ricercatori di ELUSIVES a fissare vincoli molto severi sui parametri di miscelazione del neutrino sterile. Una caratteristica sorprendente dei neutrini è la loro massa estremamente piccola. Ciò suggerisce che i neutrini non acquisiscono solo massa attraverso il campo di Higgs, come avviene per molte particelle. Gli scienziati di ELUSIVES hanno studiato la possibilità secondo cui nuovi stati di particelle più pesanti possano essere cruciali per l’origine delle masse neutriniche. È stato suggerito che il Large Hadron Collider e suoi futuri successori possano migliorare la sensibilità nei confronti di questi stati attraverso la ricerca del potente segnale di decadimenti dislocati dei mediatori di massa dei neutrini. Una volta risolto questo problema di gerarchia di massa del neutrino, gli scienziati riuscirebbero meglio a svelare un altro mistero urgente relativo a queste particelle spettrali: i neutrini sono le loro stesse antiparticelle? «Determinare se i neutrini siano i fermioni di Majorana avrebbe implicazioni profonde nella fisica delle particelle. Gli scienziati stanno studiando questa possibilità attraverso un processo definito doppio decadimento beta senza neutrini», osserva Belen Gavela, docente di fisica teorica presso l’Università autonoma di Madrid e coordinatrice di ELUSIVES. I membri del progetto che lavorano agli esperimenti GERDA, CUORE e NEXT stanno cercando tracce di doppio decadimento beta senza neutrini rispettivamente nel germanio-76, nel tellurio-130 e nello xenon-136.

Gli assioni e le particelle simili risolvono molti misteri in un colpo solo

L’esperimento ADMX (Axion Dark Matter Experiment, esperimento assione materia oscura) ha definito vincoli estremamente validi sull’esistenza e le proprietà degli assoni. Gli scienziati di ELUSIVES hanno analizzato la possibilità che l’assione possa essere più pesante di quanto precedentemente considerato: ciò amplierebbe molto l’ambito sperimentale all’interno del quale il difficile problema CP può essere risolto, diventando addirittura accessibile al Large Hadron Collider e ai collisori futuri. Essi hanno inoltre valutato il contributo di particelle simili agli assioni ai momenti dei dipoli leptonici ed esplorato la possibile esistenza di una connessione tra assioni e la teoria del Minimal Flavour Violation. Altri membri del progetto hanno proposto nuovi segnali di onde gravitazionali di materia oscura simile agli assioni. Nell’esperimento XENON1T, i membri del progetto hanno contribuito a fissare i vincoli più severi sulle interazioni tra particelle massive debolmente interagenti. ELUSIVES ha prodotto numerosi altri risultati relativi ai neutrini e ai candidati della materia oscura che potrebbero condurre i futuri scienziati a rispondere a interrogativi sulle simmetrie fondamentali della natura. I risultati di ELUSIVES contribuiscono a mantenere la leadership e la competitività dell’Europa nella ricerca relativa ai neutrini e alla materia oscura.

Parole chiave

ELUSIVES, neutrino, assione, materia oscura, antineutrino, simmetria CP, problema della gerarchia della massa, asimmetrie

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