La Ricerca sulla Massa del Neutrino: l’Importanza della Scoperta del 2022
Una delle più significative scoperte nel campo della fisica del 2022 è stata la determinazione della massa del neutrino, pubblicata nel mese di febbraio su Nature Physics. Gli scienziati dell’Istituto di tecnologia di Karlsruhe in Germania hanno condotto la ricerca, riconosciuta dall’ European Organization for Nuclear Research (CERN). L’esperimento, noto come KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment), è stato avviato nel 2018 con l’obiettivo di misurare la massa del neutrino.
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Lise Meitner e Otto Hahn nel 1911 realizzarono un esperimento che dimostrava la presenza di uno spettro continuo nell’emissione degli elettroni nel decadimento beta. Nel 1930, Pauli ipotizzò l’esistenza del neutrino per spiegare questo spettro continuo. Secondo l’ipotesi di Pauli, la trasformazione avviene attraverso il rilascio di una particella neutrino.
Metodi di Misurazione della Massa del Neutrino
La sfuggente natura del neutrino ha rappresentato una sfida per i fisici sin dalla sua ipotesi da parte di Pauli. Si è capito che il neutrino doveva avere una massa molto piccola rispetto alle altre particelle conosciute, come il fotone.
I metodi per misurare la massa del neutrino prima di KATRIN si basavano su precise misure cinematiche degli elettroni emessi nei decadimenti beta. Questo approccio sfrutta i principi di conservazione dell’energia e quantità di moto, permettendo di stimare la massa del neutrino in modo indipendente da modelli teorici.
Lo studio del decadimento beta del trizio utilizzando spettrometri elettrostatici è stato l’approccio più sensibile, fornendo un limite superiore sulla massa del neutrino. Tuttavia, queste misure soffrono di incertezze sistematiсhe legate all’energia persa negli stati atomici e molecolari eccitanti.
Un altro metodo sfrutta le misurazioni calorimetriche, in cui il rivelatore incorpora la sorgente beta e misura l’energia emessa nel decadimento, escludendo la frazione sottratta dal neutrino. Questo metodo potrebbe eliminare le incertezze dovute a sorgenti esterne di elettroni, consentendo applicazioni su diversi isotopi con decadimento beta.
KATRIN e la Misurazione della Massa del Neutrino
Il progetto KATRIN si pone come obiettivo principale la misurazione della massa assoluta del neutrino utilizzando la cinematica del decadimento dell’isotopo pesante dell’idrogeno noto come trizio. Attraverso una precisa analisi dello spettro di energia degli elettroni generati dal decadimento β del trizio molecolare, KATRIN cerca di determinare la massa del neutrino.
Il Funzionamento di KATRIN
Al centro del progetto c’è lo spettrometro, il più grande al mondo con dimensioni di 23 metri di lunghezza e 10 metri di larghezza, progettato per ridurre al minimo i segnali di fondo generati da contaminanti radioattivi. Durante il decadimento beta del trizio, che produce un antineutrino e un elettrone, l’energia dell’elettrone viene misurata con precisione per stimare la massa del neutrino.
Le Misure di KATRIN
Nel corso della prima campagna di misurazione condotta nel 2019, KATRIN ha ottenuto un limite superiore della massa del neutrino pari a 1.1 eV, riducendo significativamente il valore massimo pervenuto dalle misurazioni precedenti. Nella seconda fase di misurazione, prolungata nel tempo con un’attività maggiore della sorgente di trizio e ulteriori riduzioni dei segnali di fondo, il valore è sceso a 0.8 eV, diminuendo le incertezze statistiche di un fattore 3.
KATRIN proseguirà le sue attività per altri tre anni, durante i quali si prevede che l’implementazione di tecnologie sempre più avanzate possa ridurre ulteriormente l’incertezza sulla massa del neutrino.
Conclusioni
KATRIN rappresenta un passo significativo nella ricerca scientifica volta alla comprensione della natura e delle caratteristiche dei neutrini, uno dei costituenti fondamentali dell’Universo. I risultati ottenuti finora evidenziano il potenziale e l’importanza di progetti come KATRIN nel fornire nuove conoscenze fondamentali nella fisica delle particelle.
