La massa di neutrini con differenti “sapori”

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Che la massa ti sia lieve, un limite superiore cosmologico del neutrino. Avvalendosi di supercomputer e di “big data” provenienti da osservazioni astrofisiche, un team di scienziati dello University College London ha calcolato che i neutrini “pesi piuma” – quelli più leggeri – non dovrebbero avere una massa superiore a 0,086 eV.

L’interno di un rivelatore di neutrini, MiniBooNE. Crediti: Fred Ullrich / Fermilab / Wikimedia Commons
L’interno di un rivelatore di neutrini, MiniBooNE. Crediti: Fred Ullrich / Fermilab / Wikimedia Commons

I neutrini sono oggetti strani. Al punto da creare sconcerto persino in uno zoo popolato da esemplari già di per sé bizzarri qual è quello delle particelle elementari. Non solo i neutrini vivono una perenne crisi d’identità, condannati come sono a oscillare senza requie fra tre diversi “sapori”: elettronico, muonico e tau. Anche il loro peso – più correttamente, la loro massa – può assumere tre diversi valori: ci sono i pesi massimi, i pesi medi e i pesi piuma.  Ebbene, la notizia di oggi è che è stato calcolato il limite superiore della massa dei pesi piuma, ovvero dei neutrini più leggeri di tutti: 0,086 elettronVolt (eV). Che tradotto in chili – perché energia e massa, come la più celebre fra le equazione di Einstein ci insegna, sono intercambiabili – diventa 1,5 per 10 alla meno 37.

Uno zero virgola seguito da altri 36 zeri, prima di incontrare un uno. Una massa infinitesimale. Basti pensare che quella di un elettrone – la particella di gran lunga più leggera che ci sia in un atomo – è oltre un milione di volte più grande. Non solo: 0,086 eV è comunque solo un limite superiore: dunque non c’è alcuna garanzia che un “neutrino piuma” non possa pesare ancor meno, se non addirittura avere massa nulla. Ma è lungo quest’infinitesimale intervallo fra il limite superiore e il nulla che si gioca una bella fetta d’universo. Già, perché per quanto presi uno a uno i neutrini siano leggeri al limite dell’irrilevanza, il loro numero è smisurato al punto che qualche millielettronVolt in più o in meno fa tutta la differenza.

«Guardate il vostro pollice: ogni secondo, giorno e notte, è attraversato da cento miliardi di neutrini provenienti dal Sole», spiega Arthur Loureiro dello University College London, primo autore dello studio che oggi, su Physical Review Letters, riporta il nuovo limite superiore. «Sono “fantasmi” che interagiscono in modo estremamente debole e dei quali sappiamo poco. Ciò che sappiamo è che, mentre si muovono, possono mutare fra tre sapori. E affinché questo possa accadere è necessario che almeno due delle loro masse siano maggiori di zero».

A questo proposito, occorre chiarire un aspetto, perché il fatto che i neutrini possano avere tre diversi sapori e tre diverse masse potrebbe trarre in inganno, inducendo a pensare che a ogni sapore – elettronico, muonico e tau – corrisponda una massa – peso piuma, peso medio e peso massimo. E invece no, non è così. È assai più complicato: ciascun neutrino di un sapore specifico è in realtà una combinazione – per l’esattezza, si tratta di un fenomeno di sovrapposizione quantistica – fra neutrini di diverse masse. Di conseguenza, ogni neutrino di una massa specifica ha una certa probabilità di interagire come un sapore particolare. Se il quadro vi pare confuso non disperate: siete in buona compagnia, e se sapete un po’ d’inglese il video che trovate qui sotto può esservi di aiuto.

Tornando al limite superiore pubblicato su Physical Review Letters, com’è stato trovato? «Ci siamo avvalsi di informazioni da diverse fonti, fra le quali telescopi spaziali e terrestri per lo studio della prima luce dell’universo (la radiazione cosmica di fondo a microonde), le stelle che esplodono, la più grande mappa 3D di galassie nell’universo, gli acceleratori di particelle, i reattori nucleari e altro ancora», elenca Loureiro. «Essendo i neutrini tanto abbondanti quanto minuscoli e inafferrabili, ci serviva ogni frammento di conoscenza disponibile, per calcolare la loro massa. E il nostro metodo potrebbe essere impiegato anche per altre grandi questioni irrisolte sulle quali si interrogano cosmologi e fisici delle particelle allo stesso modo».

In pratica, Loureiro e colleghi hanno sguinzagliato la potenza dei supercomputer dando loro in pasto – per oltre mezzo milione di ore di calcolo, equivalenti a 60 anni di lavoro d’un singolo processore – big data astronomici da mettere a confronto con nove diversi modelli, da quello che prevede che i neutrini non abbiano massa fino a quelli che indicano limiti superiori variabili, da 0.06 eV fino a 0.27 eV. Ponendo particolare attenzione al fatto che i risultati fossero compatibili sia, appunto, con i dati cosmologici e astrofisici – da quelli di Planck alle osservazioni sulle supernove Ia – sia con i vincoli imposti dalla fisica delle particelle.

Ora che un limite superiore lo hanno trovato – sia per il neutrino più leggero: 0,086 eV, appunto; sia per i tre sapori insieme: 0,26 eV – la speranza è quella di arrivare, finalmente, a circoscriverne con maggior precisione la massa. Un’impresa nella quale giocheranno un ruolo cruciale le future grandi survey spettroscopiche, Desi e Euclid in testa.

Guarda il video di Minute Physics sull’oscillazione dei neutrini (in inglese):

Per saperne di più: Leggi su Physical Review Letters l’articolo “On The Upper Bound of Neutrino Masses from Combined Cosmological Observations and Particle Physics Experiments”, Arthur Loureiro, Andrei Cuceu, Filipe B. Abdalla, Bruno Moraes, Lorne Whiteway, Michael McLeod, Sreekumar T. Balan, Ofer Lahav, Aurélien Benoit-Lévy, Marc Manera, Richard P. Rollins e Henrique S. Xavier

 

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