Perché manca metà dell’universo

Nel 2012, il bosone di Higgs è stata scoperto dagli esperimenti ATLAS e CMS del CERN. Da allora, si sente spesso dire che il Modello Standard è un modello completo per la fisica delle particelle. "Non è del tutto vero!" dice Alain Blondel, professore di fisica all’Università di Ginevra. C’è ancora il neutrino, che, da quello che sappiamo oggi, non rientra perfettamente nel Modello Standard. Ci sono notizie eccitanti pubblicate recentemente riguardo questa inafferrabile particella: Nuove osservazioni dell’esperimento T2K in Giappone forniscono le prime indicazioni che chiariscono una delle domande centrali della fisica moderna: Perché l’universo consiste solo di materia mente l’antimateria manca totalmente ?

Il Prof. Alain Blondel con la camera a bolle Gargamelle al CERN di Meyrin: Con Gargamelle, furono scoperte le "correnti neutre" al CERN nel 1973, un’interazione rara tra i neutrini e la materia.
Immagine: B. Vogel

Nel 1930 il fisico teorico austriaco Wolfgang Pauli lavorava nell’istituto ETH di Zurigo. In quell’anno, postulò l’esistenza di una particella elementare neutra, conosciuta oggi con il nome di 'neutrino'. Da allora sono passati 90 anni. La scienza ha stabilito che esistono tre tipi di neutrini (neutrino elettronico, neutrino muonico, neutrino tauonico) – e che il neutrino, a differenza di quello che era creduto all’inizio, ha massa (anche se molto piccola). "Poiché il neutrino ha massa, il Modello Standard di fisica della particelle non è completo, in realtà il Modello Standard si basa sul fatto che il neutrino non abbia massa," dice Alain Blondel, uno dei maggiori esperti di neutrini, che, insieme a Teresa Montaruli, stanno trasformando l’Università di Ginevra in un epicentro della ricerca sui neutrini in Svizzera.

Progressi della ricerca sui neutrini

Perfino 90 anni dopo la sua scoperta, il neutrino è ancora un grande mistero. Pochi lo sanno meglio di Alain Blondel. Il professore francese ha studiato questa particella misteriosa per circa 50 anni. Durante la sua tesi di dottorato all’inizio degli anni 70, il fisico che studiava a l’Ecole Polytechnique di Parigi e a Berkeley (USA) ebbe a che fare con i neutrini per la prima volta. A quel tempo svolgeva le sue ricerche sulla camera a bolle Gargamelle. Con questa camera è stata scoperta nel 1973 una nuova interazione tra neutrini e materia chiamata 'corrente neutra'. Lo scafo di questa camera a bolle è oggi un pezzo del museo al CERN di Meyrin. "La camera a bolle si è rotta nel 1978 e io sono stato costretto a finire la mia tesi prima del previsto" dice Blondel con un sorriso.

Negli anni 80 Blondel partecipò a una misura di alta precisione sulle proprietà del neutrino in ALEPH, un esperimento del CERN situato all’acceleratore Large Electron Positron (LEP) – il predecessore dell’attuale acceleratore protone contro protone, l’LHC, che occupa lo stesso tunnel del LEP. Da questi risultati i ricercatori poterono dedurre che non esistono più di tre tipi di neutrini. Un altro risultato di susseguenti ricerche, in cui Blondel era coinvolto nel 2013, proveniva dall’esperimento T2K in Giappone, i ricercatori era entusiasti di scoprire che i neutrini muonici si trasformano in neutrini elettronici. Questa trasformazione è anche chiamata 'oscillazioni di neutrino'.

Nell’esperimento T2K, cominciato nel 2010, i fisici mandano 10'000 miliardi di neutrini ogni secondo per un viaggio di 300 kilometri dalla costa est del Giappone (Tokai) verso la costa Ovest (Kamioka), da qui il nome T2K. Il viaggio di 300 kilometri dura solo un millisecondo; ma questo corrisponde esattamente al tempo che occorre ai neutrini per oscillare, quindi trasformarsi in un altro tipo di neutrini, come gli scienziati possono determinare con il loro esperimento.

Neutrino e antineutrino si comportano in modo diverso

All’inizio di quest’anno, in Agosto, la collaborazione T2K che coinvolge 500 scienziati da undici paesi diversi, inclusa la Svizzera, riportò di nuovo straordinari risultati. Questa volta i ricercatori sono riusciti a contare quanti neutrini muonici si trasformano in neutrini elettronici durante il loro viaggio. Inoltre hanno anche misurato quanti antineutrini muonici si trasformano in antineutrini elettronici. Il risultato ancora provvisorio dei ricercatori è che neutrini muonici e antineutrini muonici si trasformano con differenti probabilità – questo significa: il neutrino (materia) sembra si comporti differentemente dagli antineutrini (antimateria).

Se questa osservazione sarà confermata durante i prossimi anni registrando e analizzando altri dati con l’esperimento T2K e con altri esperimenti in America, questo avrà enormi conseguenze: sarà un pezzo importante del puzzle che permetterà di rispondere alla domanda fondamentale: perché il nostro universo è formato da materia, mentre la stessa quantità di antimateria, che esisteva durante il Big Bang, sembra essere sparita ?

Per confermare questa asimmetria tra materia e antimateria nelle oscillazioni di neutrini in modo statisticamente significativo, molti più dati devono essere accumulati e analizzati nei prossimi anni dall’esperimento T2K. Per renderlo possibile, l’esperimento deve migliorarsi continuamente. Un esperimento dieci volte più potente, chiamato 'HyperK', è stato ora proposto per essere finanziato dal Ministero dell’Educazione, Cultura, Scienza e Tecnologia Giapponese; ed è previsto il commissariamento a Kamioka dal 2025 in poi. Se la collaborazione riuscirà a provare questa asimmetria tra materia e antimateria nel settore dei neutrini, un ulteriore premio Nobel potrebbe essere incombente.

Fisici svizzeri in prima linea

I fisici delle particelle svizzeri hanno contribuito significativamente all’esperimento T2K dall’inizio del 2002. Cinque tesi di dottorato portate a termine sull’esperimento Na61 al CERN hanno provvisto gli input fondamentali per determinare la quantità di neutrini e antineutrini prodotti alla sorgente dell’esperimento T2K. I ricercatori svizzeri hanno contribuito in modo importante al rivelatore costruito a Tokai, che è usato per studiare i neutrini prima che partano per il loro viaggio di 300 kilometri: i fisici di ETH Zurigo (Gruppo del Prof. Andrea Rubbia) e dell’Università di Berna (Gruppo del Prof. Antonio Ereditato) si sono occupati del magnete con cui si controllano le particelle che poi decadono generando i neutrini che vengono poi mandati attraverso il Giappone.

I ricercatori dell’Università di Ginevra che collaborano con Alain Blondel hanno partecipato alla costruzione della camera che serve a ricostruire le tracce degli eventi del rivelatore vicino alla sorgente di T2K.

Ancora molto deve essere fatto per svelare i misteri dei neutrini. Nel futuro, gli scienziati vorrebbero spiegare lo strano fatto che lo spin del neutrino gira sempre in senso antiorario (chiralità sinistrosa) anche se il neutrino, come tutte le particelle che hanno massa, dovrebbe ruotare in entrambi i sensi della direzione dello spin (chiralità sinistrosa e destrorsa).

Le teorie che riguardano i neutrini, come l’ipotizzato meccanismo 'see-saw', suggeriscono che i neutrini con uno spin orario esistono, ma con una massa molto più grande dei loro controparte neutrini antiorario, e quindi questi neutrini con chiralità destrorsa non possono essere osservati con i rivelatori disponibili oggi perché la loro massa è troppo grande.

"È una ipotesi estremamente naturale che questi neutrini con chiralità destrorsa debbano essere coinvolti nella spiegazione del perché il nostro universo è formato solo di materia e non di una quantità equivalente di antimateria," dice Alain Blondel e aggiunge "Se noi riuscissimo a spiegare il surplus di materia, una delle grandi domande della fisica del momento, sarebbe fantastico. I risultati più recenti sono il primo passo proprio in questa direzione"

Autore: Benedikt Vogel

Il Prof. Alain Blondel con la camera a bolle Gargamelle al CERN di Meyrin: Con Gargamelle, furono scoperte le "correnti neutre" al CERN nel 1973, un’interazione rara tra i neutrini e la materia.
Il Prof. Alain Blondel con la camera a bolle Gargamelle al CERN di Meyrin: Con Gargamelle, furono scoperte le "correnti neutre" al CERN nel 1973, un’interazione rara tra i neutrini e la materia.Immagine: B. Vogel

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