I neutrini sterili svaniscono quando STEREO non trova prove di oscillazioni

I dati di un esperimento in Francia chiamato STEREO suggeriscono che i neutrini sterili non possono spiegare perché il flusso di neutrini osservato dalla fissione dell'uranio-235 è inferiore a quanto previsto dalla teoria. Invece, il team STEREO ritiene che la discrepanza derivi da difficoltà teoriche nella modellazione del processo di decadimento. Il risultato segna il culmine di un progetto durato 11 anni per testare un'ipotesi avanzata per la prima volta da un team di scienziati che comprendeva due membri della collaborazione STEREO.

La scoperta nel 1998 delle oscillazioni dei neutrini da parte del rivelatore Super-Kamiokande in Giappone è stato uno degli eventi più importanti nella fisica delle particelle del XX secolo. Questo perché ha dimostrato che i neutrini devono avere una massa minuscola ma diversa da zero. Di conseguenza, i neutrini si propagano nello spazio come sovrapposizioni quantistiche oscillanti di neutrini elettronici e dei loro cugini più pesanti: neutrini muonici e neutrini tau. Ciò spiegava sconcertanti esperimenti condotti negli anni '20 in cui i fisici che osservavano il Sole avevano rilevato un numero significativamente inferiore di neutrini rispetto a quanto previsto. Quello che stava accadendo era che molti di questi neutrini solari avevano oscillato in aromi di neutrini che gli esperimenti non erano progettati per rilevare.

Nel 2011, David Lhuillier al CEA e colleghi in Francia hanno pubblicato un documento che suggerisce che le misurazioni del flusso di neutrini dai reattori nucleari hanno mostrato collettivamente un flusso anormalmente basso di neutrini dall'uranio-235 rispetto alle previsioni dei modelli teorici. Inoltre, hanno mostrato, questa anomalia potrebbe essere spiegata dai neutrini che oscillano in neutrini "sterili" che non interagiscono tramite la forza debole e quindi non vengono rilevati. I neutrini sterili sono particelle ipotetiche invocate da alcune estensioni teoriche del Modello standard della fisica delle particelle, quindi l'idea che potessero essere state intraviste nelle oscillazioni dei neutrini era allettante. Nel 2016, Lhuillier e colleghi hanno installato il rilevatore STEREO presso il reattore di ricerca Institut-Laue-Langevin (ILL) a Grenoble, dove STEREO sta per Search for Sterile Reactor Neutrino Oscillations.

Oscillazioni più brevi

"Prima, tutti vedevano un deficit medio [neutrini]", spiega Lhuillier, "L'idea era 'OK, forse se ci avviciniamo, saremo in grado di vedere questa prima o seconda oscillazione'." L'ipotetica lunghezza d'onda dell'oscillazione non era nota, dice, ma "sicuramente l'oscillazione era già stata cancellata dopo 100 m". Il rilevatore STEREO comprende sei distinti 1.8 m drogati con gadolinio³ scintillatori riempiti di idrocarburi situati a meno di 20 m dal reattore di fissione nucleare di uranio-40 quasi completamente arricchito dell'ILL, che si comporta effettivamente come una sorgente puntiforme di neutrini di uranio-235.

Quando un neutrino colpisce un atomo di idrogeno in uno degli scintillatori liquidi, stimola il decadimento beta inverso, convertendo l'elettrone in un positrone e il protone in un neutrone e liberandoli entrambi. La decelerazione del positrone genera raggi gamma immediati. Successivamente, è probabile che il neutrone venga catturato da un nucleo di gadolinio, eccitandolo in uno stato metastabile. Quando questo successivamente decade, produce un secondo impulso di raggi gamma più grande: "Questo è il segnale che stiamo cercando", dice Lhuillier; "un piccolo impulso dal positrone e poi, pochi microsecondi dopo, un grande impulso dal gadolinio."

Se non è un neutrino sterile, il problema deve essere dalla parte della previsione

David Lhuillier

Usando i loro sei rivelatori sequenziali, i ricercatori hanno confermato che c'era davvero un deficit nel flusso di neutrini rispetto a quello teoricamente previsto. Tuttavia, questo deficit è apparso costante in tutti e sei i rivelatori, quindi i ricercatori hanno concluso che non era spiegato dai neutrini che oscillavano in uno stato non rilevabile. "Se non è un neutrino sterile, il problema deve essere dal lato della previsione", dice Lhuillier. "È molto difficile prevedere quali neutrini può emettere un reattore perché hai qualcosa come 800 modi per rompere un nucleo di uranio, quindi hai bisogno di un'enorme quantità di dati nucleari."

Il team di STEREO descrive i suoi risultati in un documento in Natura.

I neutrini sterili sono stati esclusi da MicroBooNE, ma il misterioso eccesso rimane inspiegabile

"La gente non vedeva l'ora di farlo, quindi in questo senso è un documento utile", afferma il fisico teorico André de Gouvêa della Northwestern University nell'Illinois. "Conferma la tendenza dei risultati che stiamo ottenendo che suggeriscono che questa anomalia del neutrino del reattore è più strettamente associata alla nostra modellazione errata di come i neutrini vengono prodotti nei decadimenti nucleari e meno a qualche nuovo entusiasmante fenomeno fisico". Aggiunge, tuttavia, che “Il titolo dell'articolo ['STEREO neutrino spectrum of ²³⁵La fissione U rifiuta l'ipotesi del neutrino sterile'] è un po' ottimista… I neutrini sterili in linea di principio non sono esclusi come spiegazione per questa anomalia. I neutrini sterili molto pesanti potrebbero essere esclusi solo da vincoli cosmologici", dice, aggiungendo "Ci sono alcuni risultati affascinanti [su questo] che vengono fuori dall'esperimento KATRIN".

Fisico teorico Patrizio Huber della Virginia Tech negli Stati Uniti aggiunge "C'è stata questa anomalia dell'antineutrino del reattore dal 2011, e penso che questo chiuda quel capitolo". Huber ha eseguito uno dei calcoli del flusso di neutrini che mostrano la tensione con l'osservazione sperimentale e aggiunge: "Ora sappiamo che la ragione della discrepanza erano dati di input errati, e penso che questo sia importante per il futuro quando consideriamo le possibili applicazioni della fisica dei neutrini come il nucleare sicurezza. Il loro risultato è una pietra miliare su uno sforzo a livello di comunità per capire perché i calcoli del 2011 ei dati non erano d'accordo, e ora lo sono. Questo è il metodo scientifico al lavoro.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/sterile-neutrinos-fade-as-stereo-finds-no-evidence-of-oscillations/