Rilevati per la prima volta dei neutrini ad alta energia

I ricercatori del CERN hanno osservato per la prima volta direttamente le interazioni di neutrini ad alta energia di elettroni e muoni nell’intervallo di energia dei teraelettronvolt (TeV). I dettagli della ricerca del team sono stati pubblicati su Physical Review Letters l’11 luglio 2024.

Questa pietra miliare è stata raggiunta presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN utilizzando il Forward Search Experiment (FASER).

I neutrini sono particelle fondamentali con masse estremamente piccole e interazioni deboli con la materia. Queste “particelle fantasma” hanno affascinato a lungo i fisici. Nonostante la loro abbondanza – innumerevoli neutrini attraversano la Terra e i nostri corpi ogni secondo – la loro rilevazione si è rivelata difficile.

“Questo segna il primo risultato fisico sul neutrino proveniente da un collisore di particelle“, ha dichiarato Akitaka Ariga, professore associato dell’Università di Chiba e uno dei responsabili della ricerca, descrivendo gli sforzi del team come “una svolta nella fisica delle particelle che potrebbe rivoluzionare la strategia della ricerca sperimentale su larga scala nel campo“.

Un neutrino elettronico rilevato dal rivelatore FASERν presso l’LHC, il più energetico mai osservato da una fonte umana. (Fonte: collaborazione FASER)

Un nuovo occhio sull’invisibile

Esistono tre “sapori” di neutrini: i neutrini elettronici (ve), i neutrini muonici (νμ) e i neutrini tau (ντ). Finora non erano state misurate sezioni d’urto di interazione di neutrini a energie superiori a 300 gigaelettronvolt (GeV) per i neutrini elettronici e tra 400 GeV e sei teraelettronvolt (6000 GeV) per i neutrini muonici.

Il cuore della nuova scoperta è il rivelatore FASERν, un componente specializzato dell’esperimento FASER al CERN. Questo rivelatore comprende 730 strati di piastre di tungsteno e film di emulsione, con una massa totale di 1,1 tonnellate. Inoltre, il FASERν ha un design che consente di ricostruire le tracce di particelle cariche risultanti dalle interazioni con i neutrini con una precisione inferiore al micron.

Il team ha analizzato un sottoinsieme del volume esposto del rivelatore, equivalente a 128,6 kg, concentrandosi sui neutrini ad alta energia prodotti dalle collisioni protone-protone di LHC.

Attraverso una rigorosa selezione, ha identificato quattro candidati all’interazione con neutrini elettronici e otto con neutrini muonici, tutti con energie superiori a 200 GeV.

In un comunicato, il team ha sottolineato l’elevata significatività statistica di queste osservazioni: 5,2σ per i neutrini elettronici e 5,7σ per i neutrini muonici. Ciò indica che è altamente improbabile che si tratti di fluttuazioni di fondo e che, quindi, rappresentino neutrini reali.

“Questi risultati dimostrano la capacità di studiare le interazioni di neutrini flavor-tagged alle energie TeV con il rivelatore FASERν basato sull’emulsione a LHC”, ha sottolineato il dottor Ariga.

Spingendo a livelli energetici più alti

I neutrini rilevati sono i neutrini a più alta energia mai osservati da una sorgente artificiale, con energie dell’ordine dei teraelettronvolt.

 In particolare, lo studio fornisce le prime misure delle sezioni d’urto dei neutrini – la probabilità che i neutrini interagiscano con le particelle bersaglio – negli intervalli di energia 560-1740 GeV per i neutrini elettronici e 520-1760 GeV per i neutrini muonici.

Queste misure colmano una lacuna cruciale, poiché gli studi precedenti non si erano estesi oltre i 300 GeV per i neutrini di elettroni e tra i 400 GeV e i 6 TeV per i neutrini di muoni. Inoltre, queste misure sono coerenti con le previsioni del Modello Standard.

La possibilità di studiare i neutrini a queste energie estreme potrebbe far luce su questioni fondamentali della fisica, come il motivo per cui le particelle hanno massa e perché nell’universo c’è più materia che antimateria.