Riparte la caccia al neutrino di Majorana

È un esperimento di fisica delle particelle i cui autori, contrariamente a quanto avviene di solito, sperano di non osservare un particolare tipo di particelle. Per essere più precisi: gli scienziati della collaborazione Gerda (Germanium Detector Array) ai Laboratori nazionali del Gran Sasso dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) stanno bombardando con raggi gamma un rilevatore di germanio immerso in argon liquido auspicando di non osservare, nel decadimento radioattivo prodotto dalla reazione, dei neutrini – ovvero, per contro, di osservare un evento rarissimo, il cosiddetto decadimento senza emissione di neutrini. Il che, come raccontano in uno studio appena pubblicato su Nature, confermerebbe l’esistenza del cosiddetto neutrino di Majorana e aiuterebbe a far luce su uno dei (tanti) misteri della fisica moderna, ossia l’asimmetria tra materia e antimateria – il fatto che nell’Universo si osservi più materia che antimateria.

Anticipazione: il decadimento atteso non è stato osservato, ma l’esito dell’esperimento è comunque considerato un grandissimo successo perché non contiene rumore di fondo, il che pone buone speranze per gli esperimenti futuri.

“Con l’abbattimento degli eventi di fondo ai livelli che siamo riusciti a raggiungere, Gerda si è posto nelle condizioni ottimali per poter rivelare il decadimento doppio beta senza neutrini”, commenta Riccardo Brugnera, responsabile dell’esperimento per l’Infn e professore all’Università di Padova.

Questo risultato”, sottolinea Brugnera, “è il coronamento di un lungo sforzo in cui i gruppi italiani dell’Infn hanno fornito importanti contributi all’esperimento, nell’hardware, nel software e nella selezione dei materiali più radiopuri”. “L’esperimento sta continuando a raccogliere dati di ottima qualità e con elevate prestazioni”, spiega Luciano Pandola, coordinatore dell’analisi dati di Gerda e ricercatore dei Laboratori Nazionali del Sud dell’Infn, “le condizioni ideali per poter sperare in una scoperta”. “Siamo quindi tutti ansiosi di vedere i risultati della prossima analisi sui nuovi dati”, conclude Pandola.

La questione, come è facile immaginare, non è delle più semplici. Facciamo un passo indietro: per quel che sappiamo finora, le particelle elementari – e le loro mutue interazioni – sono regolate dalle leggi del cosiddetto Modello standard, una teoria formulata oltre quarant’anni fa e sottoposta, con successo, a innumerevoli verifiche sperimentali. Ma qualcosa ancora non torna: il modello è infatti incompleto, nel senso che fallisce nella descrizione della sopra citata asimmetria tra materia e antimateria. Una possibile spiegazione al fenomeno, fornita da diverse estensioni del Modello standard, prevede che i neutrini – particelle subatomiche di massa molto piccola e carica elettrica nulla – siano particelle di Majorana, ovvero che coincidano con la propria antiparticella. In altre parole, che neutrino e antineutrino siano la stessa cosa.

“L’osservazione di un eventuale neutrino di Majorana”, ci spiega Antonio Polosa, fisico teorico della Sapienza università di Roma, non coinvolto nello studio, “sarebbe di importanza capitale per la fisica moderna. Da quando infatti si è scoperto che il neutrino è una particella massiva, e non senza massa come ritenuto in precedenza, il fatto che il neutrino possa coincidere con la propria antiparticella gioca un ruolo centrale nella teoria della supersimmetria”, una teoria fisica secondo la quale ogni bosone avrebbe un corrispondente fermione simmetrico e viceversa (bosoni e fermioni sono le due classi in cui sono divise tutte le particelle elementari in base al valore dello spin).

Se il neutrino di Majorana esistesse davvero, dicono ancora i fisici delle particelle, dovrebbe essere possibile osservare sperimentalmente un particolare tipo di decadimento radioattivo, il cosiddetto decadimento β doppio senza neutrini (neutrinoless double-β decay, o 0νββ), in cui un nucleo atomico decade emettendo due elettroni e (per l’appunto) nessun neutrino. Decadimento che, finora, non è mai stato osservato. E sul quale sono concentrati, per l’appunto, gli sforzi della collaborazione Gerda. Anche se i risultati finora ottenuti non consentono di trarre alcuna conclusione definitiva: nell’articolo appena pubblicato su Nature, i ricercatori spiegano infatti di non aver osservato alcun segnale di tipo 0νββ, il che, come precisa Phillip Barbeau nel pezzo di News & Views che accompagna il paper, “potrebbe indicare che i neutrini non sono la soluzione al problema dell’asimmetria tra materia e antimateria, oppure che gli sforzi sperimentali sono ancora insufficienti”. Una piccola buona notizia, spiegano gli autori della ricerca, è il fatto di non aver osservato alcun rumore di fondo che potenzialmente potrebbe mascherare il decadimento e che dunque la procedura sperimentale potrebbe essere quella più adatta a ulteriori e più raffinate ricerche dello sfuggente decadimento.

Qualche dettaglio in più: i dati pubblicati oggi sono relativi alla seconda fase dell’esperimento, in cui gli scienziati hanno cercato di osservare il decadimento senza neutrini in un blocco di 35,6 chili dell’isotopo 76 del germanio. La ricerca di tale decadimento, spiegano all’Infn, implica però una strenua battaglia contro altri eventi naturali molto più comuni, i processi di fondo, che simulano il segnale ricercato, inquinandolo e rendendone difficile la rivelazione: a seguito degli ultimi miglioramenti, Gerda ha ridotto a tal punto gli eventi naturali non interessanti da potersi definire un esperimento privo di fondo: “Si tratta di un risultato di grande rilievo dal punto di vista sperimentale”, commenta Marco Vignati, fisico dell’Infn che lavora a Cuore, esperimento concorrente a Gerda, che fa uso di un rivelatore a base di tellurio. “Le condizioni necessarie a osservare il decadimento senza neutrini sono sostanzialmente due: avere una massa molto alta e avere un fondo molto basso. L’esperimento Gerda è riuscito ad abbassare notevolmente il fondo, portandolo quasi a zero”. Il che pone ottime speranze per le osservazioni future.

Via: Wired.it