Trasformazione reciproca di diversi tipi di neutrini 08.10.2015

L'interazione molto debole dei neutrini con la materia è ben nota. Possono passare attraverso la Terra o il Sole senza disturbare un singolo atomo. Inoltre, possono passare attraverso miliardi di stelle in questo modo. Da un lato, ciò rende difficile registrarne e misurarne le caratteristiche e, dall'altro, le rende una fonte delle informazioni più importanti sull'evoluzione dell'Universo e sui processi che avvengono all'interno delle stelle. Gli scienziati ritengono inoltre che i neutrini possano svolgere un ruolo chiave nello spiegare l'asimmetria della materia e dell'antimateria nell'Universo, che consiste nel fatto che dopo il Big Bang non vi è stato un completo annientamento reciproco di materia e antimateria, e parte della materia è ancora sopravvissuta e ha formato il nostro Universo.

Uno dei problemi con i neutrini è il problema della loro massa. Per molto tempo si è ritenuto che il neutrino non avesse massa. Così erano considerati nella versione originale del Modello Standard. La soluzione di questa domanda è importante non solo per comprendere la fisica delle particelle elementari. I neutrini sono generati dalle reazioni nucleari che si verificano nell'Universo e dopo i fotoni sono le particelle più comuni al suo interno. Il loro numero è enorme. Più di 60 miliardi di neutrini passano per un centimetro quadrato ogni secondo. Quindi anche con una massa molto piccola, la massa totale di tutti i neutrini può essere molto grande e può influenzare l'evoluzione dell'Universo. Secondo le stime moderne, la massa di tutti i neutrini è approssimativamente uguale alla massa di tutte le stelle visibili nell'Universo.

Un altro problema è sorto nel determinare il numero di neutrini elettronici che arrivano sulla Terra dal Sole. Dagli anni '1970, gli esperimenti hanno registrato solo un terzo del numero previsto dalla teoria. Questo è stato chiamato un deficit nel numero di neutrini elettronici. Per spiegare il fenomeno sono state avanzate due dozzine di ipotesi, di cui ha vinto l'ipotesi delle cosiddette oscillazioni dei neutrini (oscillazioni). Si presumeva che i neutrini elettronici in viaggio dal Sole si trasformassero in altri tipi di neutrini che non erano stati registrati negli esperimenti. È interessante notare che l'idea delle oscillazioni delle particelle elementari fu espressa dall'accademico sovietico Bruno Pontecorvo nel 1957. Le oscillazioni dei neutrini sono state seriamente discusse nella seconda metà degli anni '1990.

Attualmente sono noti tre tipi di neutrini, ognuno dei quali nasce sempre insieme al corrispondente leptone: un elettrone, un muone o un leptone tau, da cui hanno preso il nome. Secondo l'ipotesi delle oscillazioni dei neutrini, si verifica periodicamente nel tempo e nello spazio un processo di trasformazione dei neutrini l'uno nell'altro. Quindi, nel fascio, inizialmente costituito solo da neutrini elettronici, mentre si propaga, appare una miscela di neutrini muoni e tau con una contemporanea diminuzione della frazione di neutrini elettronici.

Curiosamente, la soluzione a questo problema si è rivelata correlata al problema della massa del neutrino. Il fatto è che le oscillazioni dei neutrini sono possibili solo se hanno masse.

La ragione di ciò, secondo i concetti moderni, è che i neutrini di elettrone, muoni e tau sono una miscela quantistica di tre stati con masse diverse, ognuno dei quali entra con la sua quota. Possiamo dire che i neutrini elettrone, muone e tau sono costituiti da tre onde, ognuna delle quali oscilla con una propria frequenza e ampiezza. Pertanto, se al momento iniziale la somma di queste onde sembrava un neutrino elettronico, dopo un po' queste onde si sommeranno in modo tale che appare una miscela di muoni e neutrini tau, che viene misurata dagli sperimentatori come un deficit nel numero di neutrini elettronici.

Quindi i fisici hanno creduto a lungo che i neutrini abbiano massa, sebbene non sia stata ancora misurata direttamente. È stata addirittura apportata una corrispondente leggera modifica delle formule del Modello Standard, che non ne ha violato l'essenza. Ma prove sperimentali di ciò sono state ottenute a cavallo tra il 2015° e il XNUMX° secolo. I vincitori del Premio Nobel XNUMX, il giapponese Takaaki Kajita e il canadese Arthur McDonald, sono stati le figure chiave dei due principali gruppi di ricerca che hanno studiato le oscillazioni dei neutrini.

Nel 1998 sono stati pubblicati i risultati degli scienziati giapponesi sulle oscillazioni dei neutrini atmosferici, derivanti dall'interazione dei raggi cosmici con i nuclei degli atomi dei gas atmosferici, ottenuti nell'esperimento Super-Kamiokande. Quando un neutrino entra in collisione con una molecola d'acqua nel serbatoio del rivelatore, nasce una particella veloce e caricata elettricamente. Genera radiazione Cherenkov, che viene misurata da sensori di luce. La sua forma e intensità rivelano il tipo di neutrino e la sua provenienza. I neutrini muonici che provenivano dall'alto erano più numerosi di quelli che percorrevano il percorso più lungo attraverso il globo. Ciò dimostra che i neutrini muonici nel secondo caso si sono trasformati in altri tipi di neutrini.

Nel 2001, le oscillazioni dei neutrini solari sono state dimostrate al Sudbury Neutrino Observatory (SNO - Sudbury Neutrino Observatory). Lì, le reazioni tra i neutrini e l'acqua pesante nel serbatoio del rivelatore hanno permesso di misurare il numero di entrambi i neutrini elettronici e di tutti e tre i tipi di neutrini insieme. Il numero di neutrini elettronici è risultato inferiore al previsto, mentre il numero totale di tutti e tre i tipi di neutrini insieme era in linea con le aspettative. Da ciò ne seguì che alcuni dei neutrini elettronici si trasformarono in altri tipi di neutrini.