Nuovi indizi dell’esistenza del neutrino sterile dall’esperimento MiniBooNE del FermiLab

L'interno di MiniBooNE (Foto Fred Ullrich / Fermilab)
L’interno di MiniBooNE (Foto Fred Ullrich / Fermilab)

Un articolo pubblicato sul server arXiv descrive l’osservazione di un eccesso di neutroni elettronici rilevato dall’esperimento MiniBooNE del FermiLab. I risultati sono coerenti per quanto riguarda energia e ordine di grandezza con quelli ottenuti negli anni ’90 dall’esperimento LSND a Los Alamos. La spiegazione più probabile è che si tratti di una prova dell’esistenza del neutrino sterile, un tipo di neutrino ipotizzato ma almeno finora non trovato nonostante molte ricerche mirate.

I neutrini sono particelle particolarmente elusive perché hanno una massa piccolissima e interagiscono con altre particelle in maniera molto limitata. Decenni di esperimenti hanno portato a ritenere che i neutrini siano di tre tipi, o sapori: elettronico, muonico e tauonico, associati rispettivamente a elettrone, muone e tauone. Un neutrino può mutare tipo, un fenomeno chiamato oscillazione.

Per studiare queste strane particelle, nel corso dei decenni sono stati costruiti vari rilevatori e vari esperimenti hanno cercato di capire meglio le loro caratteristiche. Gli esperimenti condotti in una collaborazione tra il CERN in Svizzera e i Laboratori nazionali del Gran Sasso in Italia furono al centro di un caso alcuni anni fa con la velocità dei neutrini che sembrava maggiore di quella della luce finché i controlli degli strumenti rivelarono un’anomalia.

Un altro esperimento, Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) a Los Alamos, negli USA rilevò negli anni ’90 un’anomalia costituita da un eccesso di neutrini elettronici. Ciò venne considerato un indizio dell’esistenza del neutrino sterile ma altri esperimenti non riuscirono a replicare quei risultati. L’esperienza di LSND portò alla costruzione di MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), che ora ha ottenuto risultati simili dopo vent’anni.

Secondo gli autori dell’articolo, quei risultati hanno un sigma pari a 4,8, un parametro che calcola la probabilità che siano corretti e non il frutto di una fluttuazione casuale che può capitare quando si ha ache fare con particelle elementari. 4.8 è un valore che indica un’elevata probabilità di correttezza e secondo i ricercatori la combinazione tra questi risultati e quelli di LSND offre un sigma pari a 6,1, che significa una probabilità su 500 milioni che si tratti di una fluttuazione casuale.

Il problema del calcolo del parametro sigma è complesso e comunque insufficiente a fornire una risposta definitiva alla ricerca del neutrino sterile. Un sigma pari a 5 soddisferebbe gli scienziati e richiederebbe solo una verifica della correttezza dei dati usati per calcolarlo. Il sigma 6,1 affermato riguardo alla combinazione dei dati di MiniBooNE e LSND richiede invece maggiori dettagli per giustificarlo.

Matematica a parte, è fondamentale capire perché solo gli esperimenti LSND e MiniBooNE abbiano fornito indicazioni dell’esistenza del neutrino sterile mentre esperimenti di altro tipo riguardanti i neutrini abbiano sempre dato risultati negativi da questo punto di vista. Se il neutrino sterile esistesse davvero, bisognerebbe aggiornare il Modello standard, una teoria quantistica dei campi che descrive l’interazione forte, quella debole e l’elettromagnetismo, tre delle quattro forze fondamentali.

Joe Lykken, vicedirettore e capo-ricercatore del FermiLab, ha dichiarato che il prossimo anno sarà eccitante per la ricerca sui neutrini con la possibilità di capire se il neutrino sterile esista o meno. Ciò perché oltre al MiniBooNE verranno effettuate ricerche con il rilevatore ICARUS, recentemente aggiornato, e con il nuovo rilevatore Short Baseline Near Detector (SBND).

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