La sua massa è piccola… molto piccola
Il neutrino è uno dei grandi misteri della fisica moderna. Invisibile, attraversa la materia quasi senza lasciar traccia, al punto che miliardi di neutrini passano attraverso il nostro corpo ogni secondo… e noi nemmeno ce ne accorgiamo. Ma nonostante la loro natura elusiva, i neutrini giocano un ruolo molto importante nella struttura dell’universo e nella nostra comprensione delle leggi fondamentali della natura. Eppure, una domanda fondamentale è rimasta finora senza risposta: quanto pesa un neutrino? Qual è la sua massa?
Un passo decisivo per trovare la risposta arriva da KATRIN, un esperimento di altissima precisione che, grazie alle nuove misure, ha stabilito un limite superiore per la massa del neutrino più preciso del precedente: la massa del neutrino è inferiore a 0,45 elettronvolt (vedi l’articolo citato alla fine). Un valore incredibilmente piccolo, meno di un milione di volte più leggero della massa dell’elettrone, eppure ricco di implicazioni per la fisica e la cosmologia.
Neutrini: i fantasmi dell’universo
I neutrini sono particelle elementari prive di carica elettrica e con una massa estremamente piccola. Proprio per queste (e altre) caratteristiche, interagiscono pochissimo con la materia, attraversandola come se fosse vuota. Eppure, in ambito cosmologico, influenzano la formazione delle grandi strutture dell’universo, come galassie e ammassi galattici.
Per la fisica delle particelle, invece, la loro massa – seppur minuscola – rappresenta un indizio prezioso di fenomeni fisici ancora sconosciuti, forse legati a una nuova fisica, quella che si pensa esista oltre il Modello Standard.
Misurare con precisione la massa dei neutrini è dunque uno degli obiettivi più importanti della fisica attuale. Uno degli esperimenti che sta cercando di farlo è proprio KATRIN.
Come funziona KATRIN
L’esperimento KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) si basa su un principio semplice — almeno sulla carta: osservare il decadimento beta (trasformazione di un neutrone in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico) del trizio, un isotopo radioattivo dell’idrogeno, e analizzare l’energia degli elettroni emessi.
La massa del (anti)neutrino può infatti essere ricavata indirettamente osservando il bilancio energetico di questo decadimento, tenendo conto della conservazione dell’energia.
In pratica, però, l’impresa è molto complessa. L’apparato sperimentale si estende per 70 metri e include una sorgente di trizio e uno spettrometro ad altissima risoluzione, largo ben 10 metri, per la misura degli elettroni. Tutto è stato progettato per ottenere una sensibilità mai raggiunta prima nella misurazione diretta della massa del neutrino.
Un nuovo risultato che dimezza il limite precedente
Analizzando 250 giorni di dati raccolti tra il 2019 e il 2021 (circa un quarto del totale), la collaborazione KATRIN è riuscita a stabilire che la massa del neutrino non supera 0,45 elettronvolt. Questo nuovo limite è quasi la metà di quello fissato nel 2022: un progresso enorme, che rende KATRIN l’esperimento più preciso al mondo nel suo campo.
Il risultato è il frutto di un lavoro minuzioso e corale: cinque campagne di misura, continue ottimizzazioni delle condizioni sperimentali e un’analisi dei dati che ha richiesto tecniche sofisticatissime, incluso l’uso dell’intelligenza artificiale per estrarre ogni possibile dettaglio.
E per il futuro?
Ma la storia non finisce qui. Le misurazioni di KATRIN continueranno fino alla fine del 2025, e con l’accumulo di nuovi dati e ulteriori ottimizzazioni tecniche, si punta a una sensibilità ancora maggiore. Magari potrebbero emergere scoperte inaspettate!
Il passo successivo è già in fase di preparazione: dal 2026, KATRIN sarà potenziato con un nuovo sistema di rivelazione chiamato TRISTAN. Questo aggiornamento permetterà di cercare un altro tipo di neutrino, il cosiddetto neutrino sterile, una particella ancora più elusiva dei neutrini che conosciamo, che potrebbe spiegare (almeno in parte) uno dei più grandi misteri della cosmologia: la materia oscura.
Parallelamente, il progetto KATRIN getterà le basi per la prossima generazione di esperimenti, ancora più sensibili, in grado – forse – di arrivare a misurare, finalmente, la massa del neutrino.
Un problema aperto: l’insostenibile leggerezza dell’essere un neutrino
La scoperta che i neutrini sono milioni di volte più leggeri degli elettroni – le particelle cariche più leggere conosciute – pone interrogativi profondi sulla natura della massa e sull’origine dell’universo. Perché questa differenza così enorme? Quali meccanismi la spiegano? Rispondere a queste domande significa, forse, aprire le porte a nuove teorie.
La ricerca della massa del neutrino non è soltanto un esercizio di precisione scientifica: è una chiave estremamente importante per decifrare il codice dell’universo. E grazie a esperimenti come KATRIN, ci stiamo avvicinando sempre di più.
Catalina Curceanu
L’articolo di KATRIN: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq9592