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 componente 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, c’è la possibilità che la differenza di comportamento tra neutrini e antineutrini non dipenda 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.
