Neutrino, la misura più precisa mai ottenuta della massa

C’è un nuovo record per la fisica delle particelle. Oggi arriva la misura più precisa mai ottenuta della massa del neutrino. I ricercatori dell’esperimento internazionale Katrin (Karlsruhe Trtitium Neutrino experiment) hanno stimato un nuovo valore più accurato del precedente. La massa dei neutrino, una particella sfuggente, pervasiva e leggerissima, è in generale molto difficile da calcolare. Lo si fa in maniera indiretta attraverso complessi esperimenti. Conoscerla è importante per comprendere meglio il funzionamento dell’Universo. 

Finora non abbiamo un numero definito e la massa del neutrino era stimata come non superiore a 1 elettronVolt (eV – pari a 1.6 × 10^–36 kg). Quest’unità di misura viene utilizzata in ambito atomico e subatomico per indicare energia e massa delle particelle (ricordando l’equivalenza massa ed energia). Nel nuovo studio, pubblicato su Nature Physics, il valore, ancora più stringente, si attesta al di sotto degli 0,8 elettronVolt.

Misurare la massa del neutrino

L’esperimento Katrin, presso il Karlsruhe Institute of Technology in Germania, include 150 scienziati, anche italiani, ed è attivo da quasi 20 anni, con l’obiettivo di misurare la massa del neutrino. Senza la conoscenza di questo parametro, mancano dei tasselli nella comprensione dell’universo. 

L’esperimento esamina un tipo di decadimento radioattivo molto studiato in fisica, il decadimento beta. In particolare, si studia la distribuzione dell’energia degli elettroni rilasciati nel decadimento. Dal calcolo delle loro masse si risale in maniera indiretta alla massa del neutrino. In questo caso i ricercatori hanno utilizzato il trizio, un isotopo radioattivo dell’idrogeno. La misurazione non è semplice: l’esperimento è lungo 70 metri e include la più potente sorgente di trizio insieme a un gigantesco spettrometro che serve a misurare le energie degli elettroni generati nel decadimento.

Abbassare l’asticella della massa

L’ultima misura rilevata dall’esperimento Katrin risale al 2019 e indica una massa del neutrino non superiore ad 1 elettronVolt: all’epoca il valore era già stato dimezzato rispetto alle precedenti misurazioni, secondo le quali si attestava attorno ai 2 eV. Oggi scendiamo ancora di più e si arriva a 0,8 eV. Si abbassa l’asticella della massa, rendendo il suo valore più circoscritto e dunque preciso. 

Gli scienziati sottolineano che è la prima volta che si entra nel range al di sotto di 1 elettronVolt. “È stata finalmente rotta la barriera di 1 eV”, spiegano, e la ricerca riduce alcune incertezze associate alla misura. La complessità del test sperimentale era necessaria, chiariscono gli autori, per eliminare alcuni bias sistematici (pregiudizi legati a possibili errori di misura). Il lavoro prosegue, verso una massa del neutrino forse ancora più precisa.

Neutrini: sfuggenti e leggerissimi

I neutrini sono particelle elettricamente neutre che comunicano con la materia mediante un’interazione fondamentale chiamata interazione debole. I neutrini sono leggerissimi, la loro massa è molto inferiore rispetto a quella degli elettroni, e sono in grado di poter attraversare indisturbati spessori di materia estremamente profondi. Sono inoltre le particelle più abbondanti nell’Universo, fra quelle a oggi note. Per esempio, ogni secondo decine di miliardi di neutrini attraversano il nostro corpo.

Il Modello standard, la teoria fisica che da più di mezzo secolo descrive tutte le particelle e le loro interazioni, prevedeva che il neutrino non avesse massa. Successivamente alcuni esperimenti hanno mostrato che ne esistono 3 tipi – o meglio sapori, in gergo tecnico – e che un tipo può trasformarsi in un altro, all’interno di un fenomeno fisico detto oscillazione del neutrino. Questa oscillazione, però, comporta che la particella abbia una massa, seppure piccola, al contrario di quanto teorizzato nel Modello standard. Per questo oggi la teoria include questa caratteristica, la massa, studiata in esperimenti come Katrin.

I neutrini sono prodotti in vari modi: in parte nel nucleo del Sole, in parte provengono dalle stelle e dal Big Bang. Ma ci sono anche i neutrini atmosferici, prodotti quando la radiazione cosmica colpisce i nuclei atomici delle molecole dell’aria. Per questo esaminare le caratteristiche dei neutrini aiuta ad avere importanti informazioni sull’origine dell’universo e su processi e meccanismi fondamentali che lo regolano, come l’asimmetria fra materia e antimateria.