Le simmetrie nascoste e le interazioni deboli modellano i neutrini e la materia oscura
Con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, il progetto HIDDeN(si apre in una nuova finestra) si è prefissato di scoprire come la natura opera al suo livello più fondamentale. La ricerca si è concentrata sui mattoni invisibili dell’universo, i neutrini e la materia oscura, e sulla scoperta delle (a)simmetrie nascoste che governano queste particelle. La missione finale di HIDDeN era quella di scoprire aspetti nascosti dell’universo: perché i neutrini hanno massa, cos’è la materia oscura e approfondire lo squilibrio tra barioni (materia) e antibarioni (antimateria). «Queste scoperte potrebbero costituire una nuova versione ampliata del modello standard», osserva Silvia Pascoli, coordinatrice del progetto.
Il ruolo dei neutrini negli enigmi cosmici
HIDDeN ha apportato un contributo significativo allo studio globale del possibile collegamento dei neutrini alla nuova fisica. In particolare, ha contribuito a esperimenti chiave sulle masse dei neutrini, su come questi cambiano tipo (mescolamento) e sulle differenze tra neutrini e antineutrini (violazione di CP), fattori che potrebbero spiegare perché l’universo ha più materia che antimateria. HIDDeN, che ha svolto un ruolo centrale anche nella ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini, si proponeva di dimostrare se i neutrini sono le loro antiparticelle. «Se ciò fosse dimostrato, violerebbe una regola fondamentale nota come “conservazione del numero leptonico” e aiuterebbe la ricerca a capire come i neutrini ottengono la loro massa», spiega Pascoli. «Abbiamo studiato alcune estensioni del modello standard per includere le masse dei neutrini, concentrandoci sulle simmetrie nascoste e sulle connessioni con altri problemi aperti della fisica», afferma Pascoli. «Inoltre, abbiamo analizzato i dati sperimentali per perfezionare i vincoli sui parametri di oscillazione dei neutrini, fornendo nuove informazioni sulle masse e sulla miscelazione dei neutrini.» L’équipe ha anche aggiornato i vincoli sui neutrini sterili pesanti e molto leggeri, studiando la loro possibile funzione di portale per la fisica del settore oscuro.
Nuovi candidati alla materia oscura
HIDDeN ha compiuto passi da gigante anche nella ricerca della materia oscura. La ricerca diretta di questa massa non rilevabile attraverso mezzi ordinari sta entrando in una nuova fase grazie allo sviluppo di rilevatori a xenon su scala della tonnellata, in cui HIDDeN ha svolto un ruolo di primo piano. «Mentre un tempo le particelle dotate di massa e debolmente interagenti (WIMP) erano l’obiettivo principale, i rigidi vincoli sperimentali hanno spostato l’attenzione su altri candidati alla materia oscura con un’ampia gamma di scale di massa», sottolinea Pascoli. «Ad esempio, la materia oscura degli assioni sta suscitando interesse e si prevede che nuovi esperimenti miglioreranno nettamente la sensibilità.» Sono inoltre in corso studi su modelli che coinvolgono interazioni nascoste o la materia oscura «freeze in», che si basano su interazioni estremamente deboli. «Abbiamo proposto nuove spiegazioni per l’abbondanza di materia oscura usando gli assioni e la teoria dei campi avanzata efficace per particelle simili agli assioni, così da consentire un’interpretazione migliore dei dati sperimentali e l’identificazione di nuovi segnali», aggiunge Pascoli. L’équipe di ricerca ha anche studiato se le interazioni delle particelle dotate di massa e flebilmente interagenti (FIMP) potessero avere un’origine gravitazionale e vincoli raffinati sui modelli di materia oscura simile alle WIMP.
L’acceleratore cerca particelle nascoste
HIDDeN si è dedicato anche alla ricerca sugli acceleratori di particelle, studiando la nuova fisica legata alle masse dei neutrini, il problema della CP forte e la materia oscura. L’équipe ha ottimizzato le analisi per rilevare FIMP al di sotto della scala TeV, che spesso non vengono rilevate a causa della loro vita lunga e dei segnali flebili. Sono state prese in esame anche le ricerche di segnali spostati, mentre le candidate FIMP più leggere, tra cui assioni, fotoni oscuri e neutrini sterili pesanti, sono state studiate anche attraverso osservazioni astrofisiche e cosmologiche. «Gli acceleratori di particelle sono essenziali per studiare la fisica su larga scala. Strumenti efficaci di teoria dei campi come SMEFT aiutano ad analizzare le deviazioni dal modello standard, come le anomalie di sapore, mentre gli acceleratori di particelle possono produrre direttamente FIMP a scale inferiori. «HIDDeN ha sviluppato approcci sia teorici che sperimentali per scoprire queste particelle sfuggenti», conclude Pascoli.
