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KATRIN ha aiutato a pesare i neutrini

25.09.2019

I neutrini possono essere attribuiti alle particelle subatomiche più strane. A causa della massa molto piccola e dell'assenza di carica elettrica, i neutrini praticamente non interagiscono con la materia ordinaria, possono assolutamente penetrare liberamente negli accumuli di materia, come i pianeti e persino le stelle. Gli scienziati hanno cercato di capire il valore della massa del neutrino per diversi decenni utilizzando vari sensori altamente sensibili e recentemente il sensore dell'esperimento Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) in Germania, in fase di sviluppo da quasi due decenni, ha prodotto i primi risultati.

Conoscere la massa dei neutrini è importante per capire perché i neutrini interagiscono con la materia ordinaria solo attraverso le forze delle interazioni nucleari deboli. Inoltre, dal punto di vista della meccanica quantistica, ogni tipo di neutrino consiste in una combinazione di tre "stati di massa" probabilistici. Tuttavia, a causa della stranezza di base della meccanica quantistica, è possibile misurare solo lo "stato di massa" o stabilire il tipo di neutrino, è fondamentalmente impossibile misurare queste due quantità contemporaneamente.

Misurazioni precise della massa del neutrino hanno richiesto agli scienziati di essere creativi. Il nucleo dell'esperimento KATRIN è un contenitore di 10 metri contenente 25 grammi dell'isotopo radioattivo dell'idrogeno, il trizio. Questo idrogeno viene raffreddato a una temperatura bassissima e nel suo ambiente si verifica costantemente il cosiddetto decadimento beta, a seguito del quale uno dei neutroni si trasforma in un protone, generando un elettrone aggiuntivo e un antineutrino elettronico, la cui massa corrisponde alla massa di un normale neutrino elettronico.

I prodotti del decadimento beta cadono nella regione attiva di un sensore-spettrometro, delle dimensioni di un edificio residenziale, che permette di misurare l'energia degli elettroni. L'essenza dell'esperimento è che l'elettrone e il neutrino ricevono sempre parte dell'energia rilasciata durante la reazione di decadimento. Questo numero può variare da caso a caso, ma la proporzione di distribuzione di energia tra l'elettrone e il neutrino rimane sempre la stessa. E come risultato del funzionamento del sensore si ottiene un grafico la cui forma consente di calcolare l'energia massima per ogni "stato di massa" del neutrino.

Dopo 28 giorni di lavoro e raccolta dati, gli scienziati dell'esperimento KATRIN hanno ottenuto il valore minimo della somma media dei tre stati di massa del neutrino a un livello inferiore a 0.1 eV (elettronvolt), il valore massimo di questo parametro era 1.1 eV. Per fare un confronto, la massa-energia di un elettrone è di circa 500 mila eV e quella di un protone è di quasi un miliardo.

Il valore ottenuto della massa massima del neutrino è quasi due volte inferiore ai valori forniti da altri esperimenti, ad esempio, abbastanza recentemente, gli scienziati, utilizzando particelle di neutrini cosmici, hanno ricavato un valore di massa di 2.6 eV. Tuttavia, qui va tenuto conto del fatto che i dati dell'esperimento KATRIN sono stati raccolti in un solo mese e gli scienziati hanno ancora cinque anni davanti a loro, durante i quali raccoglieranno e analizzeranno nuovi dati.

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