L'esperimento giapponese da 279 chilometri per scoprire gli antineutrini

I fisici giapponesi che lavorano all'esperimento sui neutrini T2K hanno annunciato questa settimana tre rilevamenti di antineutrini, registrati dal rivelatore posto ad uno dei capi del fascio lungo 279 km in cui avvengono gli esperimenti, che si estende per l'intera isola. Le osservazioni hanno portato i ricercatori molto più vicini al "santo graal della fisica dei neutrini," secondo le parole di Chang Kee Jung, portavoce dell'esperimento. E questo santo graal promette risposte anche sul perché l'universo non sia stato completamente annichilito dalle interazioni materia-antimateria, o, in altre parole, sul perché siamo qui per porci queste domande.

La fase più recente del lavoro sul T2K è iniziata nel maggio del 2014 con l'accensione di un raggio lungo di antineutrino muonico che corre dal rivelatore Super-Kamiokande (Super-K) posto sulla costa occidentale del Giappone, fino alla struttura J-PARC posta sulla costa orientale. (I muoni fanno parte di una famiglia di particelle elementari che include anche neutrini, elettroni e tau.) Il mese scorso, il raggio è stato spento, lasciando i ricercatori con il 10 percento dei dati previsti. Durante la prima fase invece, che si è compiuta tra il 2010 e il 2013, il raggio ha operato in modalità neutrino (e non anti-).

La fisica dei neutrini è bizzarra. Prima di tutto, le particelle ultraleggere esistono in tre "gusti," che sono neutrini (e antineutrini) dalle masse diverse, creati nelle stesse reazioni che danno vita a elettroni, tau e muoni (neutrini elettronici, neutrini tauonici e neutrini muonici). Anche se possono partire appartenendo a una di queste categorie, i neutrini hanno la curiosa capacità di oscillare tra altre viarianti di neutrini; per questo le particelle sono convogliate in un raggio da 279 km—le oscillazioni capitano quando le particelle hanno distanze diverse da percorrere. Quindi, l'idea del T2K è quella di osservare queste oscillazioni (raccogliere dati statistici) mentre i neutrini viaggiano attraverso la Terra verso un rivelatore specifico. Dal momento che i neutrini interagiscono con l'universo soltanto tramite forza debole, la forza responsabile del decadimento radioattivo, rimangono ignari di ciò che li circonda, che si tratti di roccia dura o di vuoto completo.

Che cosa c'entra questa cosa con l'esistenza dell'universo in sé? I neutrini potrebbero offrire una risposta all'eterno mistero dello squilibrio che c'è nell'universo tra materia e antimateria. Come è noto, la fisica ci dice che la materia è creata per forza di pari passo con l'antimateria. Quindi, se decidessi di creare un elettrone in questo momento, finirei per avere anche un positrone. È parte dell'accordo. Ma se la materia e l'antimateria sono prodotte equamente, allora tutta la materia creata alle origini dell'universo avrebbe dovuto soccombere alla quantità equivalente di antimateria, e l'esistenza stessa sarebbe stata annientata in un istante.

Mettete materia e antimateria insieme e—poof—si distruggono a vicenda. Eppure, per qualche ragione, non è andata così. C'è una sorta di asimmetria tra le due materie opposte—conosciuta come violazione di CP—e osservando e paragonando le oscillazioni dei neutrini e degli antineutrini mentre viaggiano insieme sotto la superficie del Giappone, si spera di riuscire a cogliere qualche differenza tra queste oscillazioni. Se, diciamo, gli antineutrini oscillassero a una frequenza maggiore o minore dei neutrini, avremmo le prove di una differenza fondamentale.

La prima fase dell'esperimento T2K ha mostrato in modo abbastanza certo che le oscillazioni avvengono davvero. Al rivelatore Super-K, sono stati registrati 28 diversi eventi—interazioni con emissione di luce che hanno coinvolto elettroni e neutrini—mentre si sarebbero dovute verificare solo cinque interazione nello stesso intervallo di tempo, se i neutrini non avessero oscillato come ci si aspettava.

"Molte delle interazioni dei neutrini muone producono muoni, mentre le interazioni dei neutrini elettrone producono spesso elettroni," spiega la pagina del progetto T2K. "I muoni e gli elettroni sono particelle cariche e spostano gli elettroni nell'acqua quando passano. Quando gli elettroni dell'acqua tornano nel loro stato di equilibrio dopo il passaggio delle particelle cariche, emettono luce. Se la particella carica di passaggio sta viaggiando più veloce della velocità della luce nell'acqua (che è tre-quarti della sua velocità nel vuoto), questa luce è emessa come un cono, conosciuto come radiazione di Cerenkov. Le pareti del Super-K sono rivestite con oltre 10,000 fotomoltiplicatori, che rilevano il cono di Cerenkov come un anello. Il Super-K può distinguere i muoni (che producono un anello netto) dagli elettroni (che producono un anello più diffuso)."

I tre rilevamenti annunciati questa settimana sono più che altro un assaggio di quello che ci aspetta. Il raggio si riaccenderà questo autunno e i fisici del T2K continueranno a raccogliere dati. Detto questo, è probabile che dovremo aspettare fino alla costruzione del più potente progetto DUNE lungo 1,300 km circa per avere risposte più concrete, ma un miglioramento proposto per il rilevatore Super-K potrebbe anche (letteralmente) portarci lontano.