Neutrini: NOvA e T2K riducono l’incertezza sui parametri di oscillazione

Gli esperimenti T2K in Giappone, in cui l’INFN è fortemente coinvolto, e NOvA negli Stati Uniti hanno condotto la loro prima analisi congiunta, fornendo alcune delle misure più precise mai ottenute delle oscillazioni dei neutrini. I risultati, pubblicati oggi sulla rivista Nature, combinano dieci anni di dati di T2K (raccolti dal 2010) e sei anni di dati di NOvA (raccolti dal 2014) e riducono l’incertezza nelle differenze tra le masse quadrate dei neutrini a meno del 2%, ponendo forti vincoli rispetto alla violazione della simmetria CP (una differenza di comportamento tra particelle e antiparticelle). Questo traguardo rappresenta un passo importante verso la comprensione dell’asimmetria materia-antimateria nell’universo e dimostra quanto sia rilevante la collaborazione tra esperimenti “in competizione” ma complementari.

“Il lavoro di analisi congiunto ha portato benefici a entrambe le collaborazioni”, ha commentato Patricia Vahle, co-responsabile della collaborazione scientifica NOvA. “Abbiamo acquisito una comprensione reciproca molto migliore dei punti di forza e delle sfide dei diversi apparati sperimentali e delle tecniche di analisi”.

Sia T2K sia NOvA sono esperimenti sulle oscillazioni dei neutrini su lunga distanza: ciascuno invia un intenso fascio di neutrini che attraversa un rivelatore vicino e uno lontano. T2K invia il suo fascio di neutrini per 295 chilometri, da Tokai a Kamioka (da cui il nome “T2K”). Tokai ospita il complesso di acceleratori J-PARC, mentre a Kamioka si trova il rivelatore di neutrini Super-Kamiokande, un enorme serbatoio contenente 50.000 tonnellate di acqua ultrapura posto un chilometro sottoterra. NOvA (NuMI Off-axis νe Appearance), invece, invia un fascio di neutrini per 810 chilometri dal Fermilab, vicino a Chicago, fino a un rivelatore di 14.000 tonnellate di scintillatore liquido ad Ash River, in Minnesota. Sfruttando le sostanziali differenze nella distanza di oscillazione e nell’energia media dei neutrini del fascio, i due esperimenti sono riusciti a ottenere informazioni più complete sul comportamento dei neutrini.

“L’analisi T2K-NOvA ha richiesto uno scambio intenso e virtuoso tra le comunità. È stato necessario comprendere a fondo i dati dei due esperimenti e analizzarli in un quadro comune che tenesse opportunamente conto delle incertezze sistematiche nelle misure”, ha osservato Andrea Longhin, professore all’Università di Padova e associato INFN, e responsabile nazionale della collaborazione T2K. “L’INFN svolge un ruolo di primo piano nella gestione del rivelatore vicino di T2K, occupandosi dei rivelatori TPC (Time Projection Chambers), con i quali misura l’energia e la natura delle particelle generate dall’interazione dei neutrini”.

I neutrini, abbondantissimi eppure estremamente difficili da rivelare, cambiano tipo, o “sapore”, mentre si propagano nello spazio. Elettronico, muonico e tauonico: a ciascuno dei tre sapori non è associata una massa ben definita, piuttosto una miscela dei tre possibili “stati di massa” dei neutrini, ed è proprio questa mescolanza che fa sì che, durante il moto, un neutrino possa “oscillare” da un sapore all’altro. Uno dei grandi misteri della fisica dei neutrini è stabilire l’ordinamento delle masse di questi tre stati. Esistono due possibilità, convenzionalmente denominate come ordinamento “normale” e ordinamento “inverso”. Nell’ordinamento normale, due stati di massa sono leggeri e uno è pesante; in quello inverso, due sono pesanti e uno leggero. Nel caso normale, è più probabile che i neutrini muonici oscillino in neutrini elettronici, ma meno probabile che gli antineutrini muonici oscillino in antineutrini elettronici. Nell’ordinamento inverso accade il contrario. Tuttavia,  la differenza di comportamento tra neutrini e antineutrini non dipende solo dall’ordinamento delle masse, ma da differenze intrinseche tra neutrini e antineutrini che in gergo tecnico si dice una violazione della simmetria CP (carica-parità). Questa violazione implica che i neutrini non si comportano come le loro antiparticelle e, se confermata, potrebbe contribuire a spiegare perché, dopo il Big Bang, la materia ha prevalso sull’antimateria dando origine all’universo così come lo conosciamo.

I risultati combinati di NOvA e T2K non favoriscono né l’uno né l’altro ordinamento. Se l’ordinamento si rivelasse normale, i risultati attuali non chiarirebbero completamente la questione della simmetria CP, richiedendo ulteriori dati. Se invece l’ordinamento fosse inverso, i risultati fornirebbero prove di una violazione della simmetria CP.

“La fisica dei neutrini è un campo strano. È molto difficile isolare gli effetti”, ha spiegato Kendall Mahn, co-responsabile della collaborazione scientifica T2K. “Combinare le analisi ci permette di isolare uno di questi effetti, e questo è un progresso”.

L’analisi combinata ha fornito una delle misure più precise della differenza di massa tra gli stati di massa dei neutrini, una quantità chiamata Δm²₃₂. Con un’incertezza inferiore al 2%, questo nuovo valore permetterà di confrontare con precisione i risultati di altri esperimenti e verificare se la teoria delle oscillazioni dei neutrini sia completa. In futuro, oltre a NOvA e T2K – gli unici esperimenti a lunga distanza sui neutrini attualmente operativi –, anche il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), in costruzione negli Stati Uniti, e Hyper-Kamiokande, in costruzione in Giappone, proveranno a rispondere alle domande ancora aperte, grazie a, rispettivamente, una maggiore sensibilità all’ordinamento delle masse dei neutrini e misure ad alta statistica sulla violazione della simmetria CP. L’INFN ha un ruolo attivo e trainante in entrambi i progetti.

“L’INFN è già in prima linea nell’esperimento Hyper-Kamiokande. Ha recentemente guidato la costruzione di una nuova versione delle TPC (High-Angle TPCs) per il rivelatore vicino – già operative e destinate a rivestire un ruolo chiave all’avvio di Hyper-Kamiokande nel 2028 – ed è impegnato in attività di essenziale importanza anche per il rivelatore lontano, tra cui lo sviluppo dell’elettronica di lettura, dei rivelatori di luce multi-PMT e di una parte significativa delle risorse di calcolo”, ha concluso Longhin.