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I neutrini e la scomparsa dell’antimateria

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Il rivelatore SuperKamiokande visto dall’interno parzialmente riempito di acqua. (fonte: T2K collaboration)

Tra i tanti misteri che circondano l’evoluzione del nostro Universo, uno dei più affascinanti è la totale asimmetria tra materia e antimateria. L’ipotesi corrente è che queste due componenti siano state create in eguale quantità nel Big Bang e che nell’evoluzione successiva dell’universo sia intervenuto un processo che ha favorito la prevalenza della materia sull’antimateria. Questo meccanismo potrebbe essere basato su una stupefacente proprietà quantistica dei neutrini: il fenomeno dell’oscillazione.

I neutrini sono tra gli attori fondamentali del Modello Standard della Fisica delle Particelle. Non avendo carica elettrica e interagendo con la materia solo tramite l’interazione debole, essi sono estremamente elusivi: i rivelatori di neutrini hanno tipicamente masse che vanno dalla tonnellata alle migliaia di tonnellate. Il Modello Standard prevede l’esistenza di tre tipi di neutrino: elettronico, muonico e tauonico, tutti con masse –  non ancora misurate – estremamente piccole, minori di 1 eV/c2. È a queste piccole masse che si deve la possibilità per un neutrino di oscillare da un tipo all’altro durante il suo moto. Questo fenomeno è stato osservate da molti esperimenti, tra i quali Gallex, MACRO, Borexino ed OPERA, situati nei laboratori del Gran Sasso dell’INFN. Nel 2015 è stato conferito il Premio Nobel per la Fisica ad Arthur McDonald, per i risultati dell’esperimento SNO sulle oscillazioni dei neutrini provenienti dal Sole, ed a Takaaki Kajita, per l’osservazione delle oscillazioni dei neutrini prodotti nella nostra atmosfera da parte dell’esperimento SuperKamiokande.

Lo scorso agosto, la collaborazione T2K (Tokai-to-Kamioka) ha presentato dei risultati che mostrano, per la prima volta, come la probabilità di oscillazione di neutrini muonici in neutrini elettronici potrebbe essere sensibilmente maggiore di quella delle rispettive antiparticelle. Nel gergo del Modello Standard, la differenza di comportamento tra le particelle e le rispettive antiparticelle prende il nome di violazione della simmetria CPovvero dell’invarianza delle leggi fisiche sotto l’effetto congiunto dello scambio tra particelle e antiparticelle (coniugazione di carica, C) e dell’inversione delle coordinate spaziali (Parità, P). La violazione della simmetria CP nel Modello Standard era stata finora osservata, in misura molto debole, soltanto in particelle adroniche contenenti i quarks s e b.

Nell’esperimento T2K, un fascio di neutrini (o di anti-neutrini) muonici viene prodotto nel complesso di J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), situato nel villaggio di Tokai, a partire dalla collisione di protoni da 30 GeV/c con un bersaglio di grafite. I neutrini derivano dal decadimento di particelle cariche chiamate pioni, create dall’interazione dei protoni e focalizzate in avanti mediante appositi campi magnetici. È possibile scegliere di produrre un fascio di neutrini o di anti-neutrini semplicemente invertendo la polarità dei campi magnetici. Sempre nel complesso di J-PARC, i rivelatori INGRID e ND280 misurano l’energia, il flusso e la probabilità di interazione dei neutrini prima delle oscillazioni. Infine, il fascio di neutrini, dopo aver attraversato la crosta terrestre per 295 km, viene osservato dal rivelatore Super-Kamiokande, situato presso Kamioka.

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Il rivelatore Super-Kamiokande contiene circa 50,000 tonnellate di acqua; le particelle prodotte nell’interazione dei neutrini con l’acqua, emettono una piccola quantità di luce per effetto Cerenkov, rivelata da fotomoltiplicatori che convertono la luce in segnali elettrici. Le differenti caratteristiche della luce prodotta permettono di distinguere le interazioni dei neutrini di tipo muonico da quelle dei neutrini di tipo elettronico, e quindi di misurare sia la probabilità di sparizione dei neutrini muonici che quella di apparizione dei neutrini elettronici.

L’evidenza statistica è ancora limitata, e una maggiore quantità di dati verrà acquisita nei prossimi anni per verificare questo primo risultato. La collaborazione prevede di continuare l’acquisizione dei dati, su fasci di neutrini e di anti-neutrini, anche negli anni a venire, fino a decuplicare la statistica accumulata finora, anche sfruttando il continuo lavoro di miglioramento dell’intensità dei fasci di neutrini. (Alessandro Paoloni)