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Svelare il mistero dell'asimmetria materia-antimateria dell'universo con esperimenti di oscillazione dei neutrini

SCIENZEFISICASvelare il mistero dell'asimmetria materia-antimateria dell'universo con esperimenti di oscillazione dei neutrini

T2K, un esperimento di oscillazione di neutrini a base lunga in Giappone, ha recentemente riportato un'osservazione in cui ha rilevato una forte evidenza di una differenza tra le proprietà fisiche fondamentali dei neutrini e quella della corrispondente controparte di antimateria, gli antineutrini. Questa osservazione suggerisce di spiegare uno dei più grandi misteri della scienza: una spiegazione per il dominio della materia nell'Universo sull'antimateria, e quindi la nostra stessa esistenza.

L'asimmetria materia-antimateria dell'Universo

Secondo la teoria della Cosmologia, le particelle e le loro antiparticelle sono state prodotte in coppia dalle radiazioni durante il Big-Bang. Le antiparticelle sono antimateria che hanno quasi le stesse proprietà fisiche delle loro controparti di materia, cioè le particelle, eccetto per la carica elettrica e le proprietà magnetiche che sono invertite. Tuttavia, l'Universo esiste ed è composto solo da materia indica che una certa simmetria materia-antimateria è stata rotta nel corso del Big-Bang, a causa della quale le coppie non hanno potuto annichilarsi completamente producendo nuovamente radiazioni. I fisici stanno ancora cercando le firme della violazione della simmetria CP, che a sua volta può spiegare la rottura della simmetria materia-antimateria nell'Universo primordiale.

La simmetria CP è il prodotto di due diverse simmetrie: coniugazione di carica (C) e inversione di parità (P). La coniugazione di carica C quando applicata su una particella carica cambia il segno della sua carica, quindi una particella carica positivamente diventa carica negativa e viceversa. Le particelle neutre rimangono invariate sotto l'azione di C. La simmetria di inversione di parità inverte le coordinate spaziali della particella su cui agisce, quindi una particella destrorsa diventa mancina, simile a ciò che accade quando ci si trova di fronte a uno specchio. Infine, quando CP agisce su una particella carica negativa di mano destra, viene convertita in una particella carica positiva di mano sinistra, che è l'antiparticella. Quindi materia e antimateria sono in relazione l'una con l'altra attraverso la simmetria CP. Quindi CP deve essere stato violato per generare l'osservato asimmetria materia-antimateria, segnalato per la prima volta da Sacharov nel 1967 (1).

Poiché le interazioni gravitazionali, elettromagnetiche e forti sono invarianti sotto la simmetria CP, l'unico posto in cui cercare la violazione di CP in Natura è nel caso di quark e/o leptoni, che interagiscono attraverso l'interazione debole. Fino ad ora, la violazione di CP è stata misurata sperimentalmente nel settore dei quark, tuttavia è troppo piccola per generare l'asimmetria stimata dell'Universo. Quindi la comprensione della violazione della CP nel settore dei leptoni è di particolare interesse per i fisici per comprendere l'esistenza dell'Universo. La violazione di CP nel settore dei leptoni può essere utilizzata per spiegare l'asimmetria materia-antimateria attraverso un processo chiamato leptogenesi (2).

Perché i neutrini sono importanti?

I neutrini sono le particelle più piccole e massicce della Natura con carica elettrica zero. Essendo elettricamente neutri, i neutrini non possono avere interazioni elettromagnetiche e non hanno nemmeno interazioni forti. I neutrini hanno masse minuscole dell'ordine di 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), quindi anche l'interazione gravitazionale è molto debole. L'unico modo in cui i neutrini possono interagire con altre particelle è attraverso interazioni deboli a corto raggio.

Questa proprietà di interazione debolmente dei neutrini, tuttavia, li rende una sonda interessante per studiare oggetti astrofisici lontani. Mentre anche i fotoni possono essere oscurati, diffusi e dispersi dalla polvere, dalle particelle di gas e dalle radiazioni di fondo presenti nel mezzo interstellare, i neutrini possono passare per lo più senza ostacoli e raggiungere i rivelatori terrestri. Nel contesto attuale, essendo debolmente interagente, il settore dei neutrini può essere un valido candidato per contribuire alla violazione della CP.

Oscillazione del neutrino e violazione di CP

Esistono tre tipi di neutrini (𝜈) – 𝜈𝑒,μ e𝜏 – uno associato a ciascun leptone sapori elettrone (e), muone (𝜇) e tau (𝜏). I neutrini sono prodotti e rilevati come autostati di sapore tramite interazioni deboli in associazione con il leptone carico di sapore corrispondente, mentre si propagano come stati con masse definite, chiamate autostati di massa. Quindi un fascio di neutrini di sapore definito alla sorgente diventa una miscela di tutti e tre i diversi sapori nel punto di rilevamento dopo aver percorso una certa lunghezza del percorso - la proporzione dei diversi stati di sapore dipende dai parametri del sistema. Questo fenomeno è noto come oscillazione del neutrino, il che rende queste minuscole particelle molto speciali!

Teoricamente, ciascuno degli autostati di sapore del neutrino può essere espresso come una combinazione lineare di tutti e tre gli autostati di massa e viceversa e la miscelazione può essere descritta da una matrice unitaria chiamata matrice Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4 ,3). Questa matrice di miscelazione unitaria tridimensionale può essere parametrizzata da tre angoli di miscelazione e fasi complesse. Di queste fasi complesse, l'oscillazione del neutrino è sensibile ad una sola fase, denominata 𝛿?, ed è l'unica fonte di violazione di CP nel settore dei leptoni. ?? può assumere qualsiasi valore nell'intervallo −180° e 180°. Mentre?=0,±180° significa che neutrini e antineutrini si comportano in modo identico e si conserva CP, 𝛿?=±90° indica una violazione massima di CP nel settore dei leptoni del Modello Standard. Qualsiasi valore intermedio è indicativo di violazione CP a diversi gradi. Quindi la misura di 𝛿? è uno degli obiettivi più importanti della comunità della fisica dei neutrini.

Misurazione dei parametri di oscillazione

I neutrini vengono prodotti in abbondanza durante le reazioni nucleari, come quelle del Sole, di altre stelle e di supernove. Sono prodotti anche nell'atmosfera terrestre attraverso l'interazione dei raggi cosmici ad alta energia con i nuclei atomici. Per avere un'idea del flusso di neutrini, ogni secondo ci passano circa 100 trilioni. Ma non ce ne rendiamo nemmeno conto poiché interagiscono molto debolmente. Questo rende la misurazione delle proprietà dei neutrini durante gli esperimenti di oscillazione dei neutrini un lavoro davvero impegnativo!

Esperimenti di oscillazione del neutrino
Fonte: Wikipedia (rif. 5)

Per misurare queste particelle sfuggenti, i rivelatori di neutrini sono grandi, con kilo-tonnellate di massa e gli esperimenti impiegano diversi anni per ottenere risultati statisticamente significativi. A causa delle loro deboli interazioni, gli scienziati hanno impiegato circa 25 anni per rilevare sperimentalmente il primo neutrino dopo che Pauli ne aveva postulato la presenza nel 1932 per spiegare la conservazione dell'energia-impulso nel decadimento beta nucleare (mostrato nella figura (5)).

Gli scienziati hanno misurato tutti e tre gli angoli di miscelazione con una precisione superiore al 90% con una confidenza del 99.73% (3𝜎) (6). Due degli angoli di mescolamento sono grandi per spiegare le oscillazioni dei neutrini solari e atmosferici, il terzo angolo (denominato 𝜃13) è piccolo, il valore best-fit è di circa 8.6° ed è stato misurato sperimentalmente solo di recente nel 2011 dall'esperimento del neutrino del reattore Daya-Bay in Cina. Nella matrice PMNS, la fase 𝛿? compare solo nella combinazione sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿?, effettuando misurazioni sperimentali di? difficile.

Il parametro che quantifica la quantità di violazione di CP sia nei settori dei quark che dei neutrini è chiamato invariante di Jarlskog 𝐽? (7), che è una funzione degli angoli di miscelazione e della fase di violazione di CP. Per il settore dei quark 𝐽?~ 3 × 10-5 , mentre per il settore dei neutrini 𝐽?~0.033 peccato𝛿?, e quindi può essere fino a tre ordini di grandezza maggiore di 𝐽? nel settore dei quark, a seconda del valore di 𝛿?.

Risultato di T2K: un suggerimento per risolvere il mistero dell'asimmetria materia-antimateria

Nell'esperimento di oscillazione del neutrino a base lunga T2K (Tokai-to-Kamioka in Giappone), vengono generati fasci di neutrini o antineutrini presso il Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) e rilevati al rivelatore Water-Cerenkov a Super-Kamiokande, dopo aver percorso una distanza di 295 km attraverso la Terra. Poiché questo acceleratore può produrre fasci diμ o la sua antiparticella 𝜈̅𝜇, e il rivelatore può rilevare 𝜈μ,𝜈𝑒 e le loro antiparticelle 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, hanno risultati da quattro diversi processi di oscillazione e possono eseguire l'analisi per ottenere limiti efficienti sui parametri di oscillazione. Tuttavia, la fase di violazione di CP 𝛿? appare solo nel processo in cui i neutrini cambiano sapore, cioè nelle oscillazioni 𝜈𝜇→𝜈𝑒 e 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – qualsiasi differenza in questi due processi implicherebbe una violazione di CP nel settore dei leptoni.

In una recente comunicazione, la collaborazione T2K ha riportato interessanti limiti sulla violazione della CP nel settore dei neutrini, analizzando i dati raccolti durante il 2009 e il 2018 (8). Questo nuovo risultato ha escluso circa il 42% di tutti i possibili valori di 𝛿?. Ancora più importante, il caso in cui la PC è conservata è stato escluso al 95% di confidenza, e allo stesso tempo la massima violazione della PC sembra essere preferita in Natura.

Nel campo della fisica delle alte energie, è richiesta una confidenza di 5𝜎 (cioè 99.999%) per rivendicare una nuova scoperta, quindi sono necessari esperimenti di nuova generazione per ottenere statistiche sufficienti e una maggiore precisione per la scoperta della fase di violazione della CP. Tuttavia, il recente risultato di T2K è uno sviluppo significativo verso la nostra comprensione dell'asimmetria materia-antimateria dell'Universo attraverso la violazione di CP nel settore dei neutrini, per la prima volta.

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Riferimenti:

1. Sakharov,Andrei D., 1991. ''Violazione dell'invarianza CP, asimmetria C e asimmetria barionica dell'universo''. Fisica sovietica Uspekhi, 1991, 34 (5), 392-393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di, 2012. Introduzione alla leptogenesi e alle proprietà dei neutrini. Contemporary Physics Volume 53, 2012 – Numero 4 Pagine 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Maki Z., Nakagawa M. e Sakata S., 1962. Osservazioni sul modello unificato delle particelle elementari. Progress of Theoretical Physics, Volume 28, Issue 5, November 1962, Pages 870-880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Pontecorvo B., 1958. PROCESSI BETA INVERSI E NON CONSERVAZIONE DELLA CARICA LEPTONICA. Journal of Experimental and Theoretical Physics (URSS) 34, 247-249 (gennaio 1958). Disponibile online http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Consultato il 23 aprile 2020.

5. Inductiveload, 2007. Decadimento beta-meno. [immagine online] Disponibile su https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Consultato il 23 aprile 2020.

6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Masse di neutrini, miscelazione e oscillazioni, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) e aggiornamento 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog risponde. Fis. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. The T2K Collaboration, 2020. Vincolo sulla fase di violazione della simmetria materia-antimateria nelle oscillazioni del neutrino. Natura volume 580, pagine 339–344 (2020). Pubblicato: 15 aprile 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

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Dottore di ricerca Shamayita Ray
Dottore di ricerca Shamayita Ray
Laboratorio di fisica spaziale, VSSC, Trivandrum, India.

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