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Materia: un esperimento ci fa capire perché ha prevalso sull’antimateria

È uno dei più grandi misteri della fisica moderna: l’antimateria, un insieme di particelle non troppo diverse da quelle che costituiscono la materia ordinaria. Ma con carica di segno opposto. Legato all’antimateria è il cosiddetto rompicapo dell’asimmetria, ovvero la disparità tra l’universo appena nato e quello che conosciamo oggi.

Si pensa infatti che subito dopo il Big Bang materia e antimateria siano state prodotte in eguale quantità, mentre oggi dell’antimateria non c’è praticamente più traccia. Che fine anno fatto dunque tutti gli antiatomi presenti nel cosmo miliardi di anni fa?

L’esperimento giapponese Tokai to Kamioka (T2K) nasce per rispondere a questa domanda. Il suo oggetto di studio principale è il neutrino, una delle particelle fondamentali dell’universo su cui però gli scienziati sanno ancora poco. I neutrini si presentano in tre “gusti”, tre varianti differenti che possono anche oscillare da una all’altra. Ad ogni tipologia di neutrino è associato un antineutrino.

Un team di ricerca guidato dall’Università di Lancaster ha utilizzato i dati dell’esperimento T2K per identificare una differenza di oscillazione tra i neutrini e gli antineutrini, che potrebbe aiutare a spiegare la prevalenza di materia sull’antimateria. Il nuovo studio, pubblicato oggi su Nature, permette di gettare uno sguardo all’origine del cosmo, quando l’asimmetria ha avuto inizio.

«I nostri dati – commenta Laura Kormos, leader dello studio –  ci suggeriscono che in questo processo la natura abbia scelto il massimo livello di asimmetria possibile». Secondo Kormos e colleghi, la chiave per comprendere questa asimmetria sta proprio nell’oscillazione dei neutrini, che subito dopo il Big Bang si sarebbe immediatamente differenziata dall’oscillazione degli antineutrini.

Sarebbero dunque queste minuscole particelle le principali responsabili della violazione del principio di simmetria, dall’origine dell’universo fino a oggi.

Violazione della simmetria materia-antimateria
Violazione della simmetria materia-antimateria

T2K (” Tokai to Kamioka “) è un esperimento di fisica delle particelle che studia le oscillazioni dei neutrini dell’acceleratore . L’esperimento è condotto in Giappone dalla cooperazione internazionale di circa 500 fisici e ingegneri con oltre 60 istituti di ricerca di diversi paesi dell’Europa , dell’Asia e del Nord America ed è un esperimento riconosciuto dal CERN (RE13).

T2K è stato il primo esperimento che ha osservato la comparsa di neutrini di elettroni nel fascio di neutroni di muoni, ha anche fornito la migliore misurazione al mondo del parametro di oscillazione θ 23 e un suggerimento di una significativa asimmetria materia antimateria nelle oscillazioni di neutrini. La misurazione dell’asimmetria di oscillazione neutrino-antineutrino può avvicinarci alla spiegazione dell’esistenza del nostro universo dominato dalla materia.

L’intenso fascio di neutrini muonici viene prodotto nello stabilimento J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) a Tokai, sulla costa orientale del Giappone. Il fascio è diretto verso il Super-Kamiokande lontano rivelatore trova 295 km di distanza nel Hida -City Gifu.

Le proprietà e la composizione del flusso di neutrini vengono misurate dapprima da un sistema di rilevatori vicini situato a 280 m dal luogo di produzione del raggio nel sito J-PARC, e poi di nuovo nel rivelatore Super-Kamiokande.

t2k experiment

Il confronto tra il contenuto di diversi aromi di neutrino in queste due posizioni consente di misurare la probabilità di oscillazione sulla strada tra rivelatori vicini e lontani. Super-Kamiokande è in grado di rilevare interazioni di neutrini sia di muoni che di elettroni, e quindi misurare la scomparsa del flusso di neutroni di muoni, nonché l’aspetto di neutroni di elettroni nel fascio

Poiché i neutrini hanno una possibilità estremamente piccola di interazione, questo tipo di esperimento impiega anni a raccogliere dati sufficienti affinché gli scienziati possano trarre conclusioni significative. T2K ha impiegato un decennio per rilevare solo 90 neutrini e 15

antineutrini – da circa 10 20 potenziali collisioni che generano neutrini a J-PARC.

Usando questi dati, la collaborazione T2K ha misurato la probabilità che un neutrino oscillasse tra diverse proprietà fisiche che i fisici chiamano “sapori” durante il suo viaggio. Il team ha quindi eseguito lo stesso esperimento con gli antineutrini e ha confrontato i numeri. Se materia e antimateria sono perfettamente simmetriche, le probabilità dovrebbero essere le stesse.

I risultati, tuttavia, suggeriscono che non lo sono. T2K ha rilevato una maggiore probabilità che i neutrini cambiassero sapore durante il loro viaggio di 300 km – e una probabilità corrispondentemente più bassa per gli antineutrini – di quanto ci si aspetterebbe se si comportassero in modo identico.

Perché esistiamo? Perché esiste la materia?

Rilevazione di un neutrino elettronico
Rilevazione di un neutrino elettronico (in alto) e di un antineutrino elettronico (in basso) nel Super-Kamiokande. Quando un neutrino o un antineutrino elettronico interagisce con l’acqua, viene prodotto un elettrone o un positrone. Questi emettono un debole anello di luce Cherenkov, che viene rilevato da quasi 13mila fotorilevatori. Crediti: T2K Collaboration

Come mai a un certo istante del big bang l’ago della bilancia della natura, in teoria perfettamente al centro – fino alla singola particella fondamentale – fra materia e antimateria, ha preso a spostarsi – lievemente ma inesorabilmente – verso la materia? Impedendo così che tutto ciò che esisteva si trasformasse per annichilazione in pura energia e lasciando, invece, che una piccola frazione di quark e leptoni sopravvivesse a dare sostanza a ciò che ora chiamiamo universo?

Affinché ciò sia avvenuto, spiegano i fisici, è stata necessaria una violazione. La violazione di una simmetria. Qualche particella fondamentale deve aver violato la cosiddetta simmetria CP. E deve averlo fatto in modo sufficientemente deciso da imprimere alla storia dell’universo una svolta dal nulla al qualcosa.

Ma c’è qualche particella in grado di compiere questa violazione? Ecco, contando quei neutrini i fisici dell’esperimento T2K cercavano proprio questa risposta.

E il conteggio non li ha delusi. I risultati di dieci anni di dati, pubblicati questa settimana su Nature, dicono che colti a oscillare da muonici a elettronici sono stati 90 neutrini e 15 antineutrini. Simmetria violata.

Indagine archiviata, dunque? Possiamo andarcene a dormire sereni sapendo di aver finalmente capito perché esistiamo? Non proprio. Anzitutto, com’è facile intuire anche solo guardando quelle due cifre – 90 e 15 – e raffrontandole al fatto che sono circa cento miliardi i neutrini che attraversano ogni secondo un singolo centimetro quadrato della nostra pelle, un po’ di dati in più non farebbero male.

In particolare, la misura effettuata ha una significatività di 3 sigma – traducendo un po’ brutalmente, la probabilità che il risultato ottenuto non sia frutto del caso è “solo” del 99.7 per cento – mentre gli standard richiedono almeno 5 sigma.

Inoltre, se anche fosse confermato, non è detto che la violazione dei soli neutrini sia sufficiente a spiegare tutta la materia dell’universo: potrebbero aver avuto bisogno di qualche “complice” più pesante, per esempio, per mettere a segno un colpaccio come questo. Ma la strada imboccata pare essere quella giusta.

Fidarsi ma verificare

Tale constatazione, se può essere confermata, dà peso alla spiegazione di Sakharov del 1967 secondo cui materia e antimateria hanno proprietà diverse. Ma c’è un avvertimento: l’attuale scoperta non soddisfa il livello richiesto di confidenza – noto come 5-sigma (5σ) – che i fisici delle particelle in genere richiederebbero di considerare il risultato una scoperta. I risultati T2K attuali hanno un livello statistico di 3σ – e questo scende a 2σ se la simmetria materia-antimateria deve essere esclusa del tutto.

Anche così, è importante pubblicare tale lavoro fondamentale man mano che procede. Gli esperimenti di fisica delle particelle possono richiedere decenni per essere pianificati e costruiti, quindi i risultati che non hanno ancora un significato di 5σ hanno un ruolo cruciale nell’informare le decisioni della comunità sugli investimenti futuri.

I ricercatori avrebbero potuto aspettare più a lungo. Ma anche se lo fossero, è improbabile che l’esperimento T2K abbia fornito i dati aggiuntivi richiesti per tagliare il traguardo 5σ. Per arrivare a 5σ, i fisici avranno bisogno dei risultati della prossima generazione di rivelatori di neutrini.

Fortunatamente, ci sono tre di questi rivelatori che dovrebbero entrare in funzione: Hyper-Kamiokande, situato vicino a Super-Kamiokande, dovrebbe iniziare nel 2027; DUNE negli Stati Uniti, che dovrebbe iniziare nel 2025; e JUNO in Cina, che vuole essere il primo dei tre ad andare in diretta, nel 2022.

Il tempo dirà se queste osservazioni preliminari valgono. Ma in un momento in cui grandi investimenti nella fisica delle alte energie sono sottoposti a un esame più approfondito, questo risultato rafforza l’importanza di continuare a cercare risposte ad alcuni dei misteri più profondi dell’Universo.

Obiettivi scientifici di T2K

  • la ricerca di violazione della CP nel settore dei neutrini
  • la scoperta di ν μ → ν e (ovvero la conferma che θ 13 > 0)
  • misure di precisione dei parametri di oscillazione nella scomparsa di ν μ
  • una ricerca di componenti sterili nella scomparsa di ν μ osservando eventi a corrente neutra
  • contributi leader a livello mondiale nelle misurazioni della sezione del neutrino-nucleo

Piani futuri

Si prevede che l’esperimento T2K opererà nella forma attuale fino alla fine del 2020. Nel 2021 verrà eseguito un importante aggiornamento della linea di emissione del neutrino e del rivelatore vicino ND280. Dal 2022 al 2026 saranno presi i dati sui neutrini nella seconda fase dell’esperimento T2K (T2K-II).

Nel 2025 verrà lanciato il successore dell’esperimento T2K, l’esperimento Hyper-Kamiokande (HK), con il nuovo rivelatore lontano Cherenkov da 250.000 tonnellate di acqua – il rivelatore Hyper-Kamiokande. Per l’esperimento di HK viene anche presa in considerazione la costruzione di un rivelatore aggiuntivo Cherenkov per acqua intermedia a una distanza di circa 2 km.

Riferimenti e approfondimenti

  1. Neutrinos could shed light on why the Universe has so much more matter than antimatter –  Nature 580, 305 (2020)- doi: 10.1038/d41586-020-01022-3
  2. Nature “Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations”, della T2K Collaboration
  3. Pagina ufficiale dell’esperimento T2K – collaborazione T2K” .
  4. Reines, F. & Cowan CL Jr Nature 178 , 446–449 (1956).
  5. Cowan, CL Jr, Reines, F., Harrison, FB, Kruse, HW & McGuire, AD Science 124 , 103–104 (1956).
  6. T2K Collaboration Nature 580 , 339–344 (2020).
  7. Sakharov, A. Soviet Phys. Uspek. 34 , 392 (1967)
  8. Amici della Scienza
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