I neutrini possono essere sia materia che antimateria? I fisici ancora non lo sanno, quindi lo eseguono
Perché abbiamo bisogno di questi esperimenti?
Le osservazioni degli astrofisici mostrano che l'Universoè costituito quasi interamente da materia, anche se non vediamo quasi nessuna antimateria. Esperimenti di laboratorio e di collisore mostrano che è possibile creare sia materia che antimateria in parti uguali.
Lo scopo della teoria del Big Bang è spiegare lo squilibriomateria cosmica. Secondo esso, la materia può essere generata senza antimateria in uno “small bang”, durante un processo nucleare ultra raro chiamato doppio decadimento beta senza neutrini.
Ora il gruppo CUORE lo ha pubblicato sulla rivista Naturearticolo su come ha cercato questo tipo di decadimento utilizzando gli isotopi del tellurio. Non è stato possibile rilevare il decadimento, ma gli ingegneri sono riusciti a mantenere condizioni di temperatura molto basse e allo stesso tempo gli strumenti erano molto sensibili: ciò ha richiesto il funzionamento stabile di più di una tonnellata di apparecchiature sperimentali a temperature criogeniche vicine a -273,149.
Cosa hanno studiato gli autori?
L'oggetto dello studio era una particella di neutrino.Queste particelle sono ovunque. Un numero infinito di neutrini passa attraverso un dito mentre una persona legge questa frase. I neutrini non possono essere rilevati utilizzando l'elettromagnetismo o potenti forze nucleari forti. Questo è il motivo per cui le particelle possono passare direttamente attraverso una persona e persino la Terra.
Ci sono molti neutrini, ma sono difficili da studiare. All'inizio della loro ricerca, i fisici credevano che queste particelle non avessero massa. Successivamente si è scoperto che esisteva una massa, anche se insignificante.
Ma gli scienziati non hanno ancora risposto a una domanda:Può un neutrino essere sia materia che antimateria? Ogni particella ha un'antiparticella, in altre parole, le stesse particelle, costituite solo da antimateria. Ad esempio, gli elettroni hanno antielettroni o positroni, i quark hanno antiquark e neutroni e protoni hanno antineutroni e antiprotoni. Ma per i neutrini non è stata trovata una simile antiparticella.
Come studiare i neutrini?
Per capire se i neutrini hanno un ipotetico antineutrino, bisogna cercare di riprodurre un possibile tipo di decadimento radioattivo, chiamato doppio decadimento beta senza neutrini.
Lo stesso decadimento beta è una forma comune di decadimento in alcuni atomi e può convertire un neutrone presente nel nucleo di un atomo in un protone.
Se parliamo di doppio decadimento beta, allora lo èun evento più raro. In questo caso non funziona un neutrone, ma due. Durante questo processo emettono due elettroni e due antineutrini. Quindi i fisici vogliono provare il decadimento doppio beta senza neutrino per vedere se ha un'antiparticella.
Com'è andato l'esperimento?
I ricercatori del gruppo CUORE hanno annunciato all'inizio di aprile 2022 nuovi risultati dell'esperimento. Gli autori hanno voluto studiare la natura del neutrino.
Il team CUORE lavora nel laboratorio Gran dell'INFNSasso, protetto dal mondo esterno da mura e pietre spesse 1,4 km. Lì hanno condotto uno degli esperimenti più sensibili al mondo per studiare il doppio decadimento beta senza neutrini.
I risultati del lavoro di CUORE si basano su un enormeset di dati, è 10 volte più grande di qualsiasi altro esperimento simile. Finora, il team non è stato in grado di osservare il doppio decadimento beta senza neutrini, nonostante le apparecchiature ultrasensibili. Invece, i ricercatori hanno scoperto che, in media, si verifica in un singolo atomo di tellurio non più di una volta ogni 22 trilioni di trilioni di anni. Questa informazione è molto importante per le nuove scoperte nella fisica delle particelle elementari.
“Durante tali esperimenti, noistiamo perseguendo un obiettivo: capire come si è formata la materia ", ha affermato Carlo Bucci, ricercatore presso il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso dell'INFN (LNGS). Secondo Roger Huang, un borsista post-dottorato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, gli scienziati stanno cercando un processo che rompa la simmetria della natura.
“Se vediamo un doppio decadimento beta senza neutrini,diventerà il processo più raro che gli esseri umani abbiano mai registrato. La sua emivita è più di un milione di miliardi di volte l'età dell'universo", ha affermato Danielle Speller, professoressa associata alla Johns Hopkins University e membro del CUORE Physics Council.
Secondo i ricercatori, sebbene loronon sono riusciti a sistemare il tanto atteso processo, sono soddisfatti dei risultati del lavoro, in particolare della componente tecnica. La sensibilità del rivelatore era incredibilmente alta: quando si sono verificati forti terremoti in Cile e Nuova Zelanda, i ricercatori hanno visto questa attività sul rivelatore. Secondo Laura Marini, ricercatrice dell'Istituto Gran Sasso, avrebbero potuto osservare le onde che si infrangono contro il mare Adriatico, a 60 km dal laboratorio.
Come verranno condotti tali esperimenti in futuro?
Basati su CUORE, creeranno la prossima generazione di esperimenti. Il successore di CUORE è CUPIDO. È già in fase di sviluppo e dovrebbe essere 10 volte più sensibile di CUORE.
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