La scoperta della massa del neutrino è una delle maggiori conquiste nel campo della fisica del 2022 pubblicata nel mese di febbraio su Nature Physics. La ricerca, riconosciuta dall’ European Organization for Nuclear Research, è stata fatta dagli scienziati presso l’Istituto di tecnologia di Karlsruhe con sede in Germania. KATRIN acronimo tedesco di Karlsruhe Tritium N eutrino Experiment è alla ricerca della massa del neutrino da quando l’esperimento ha iniziato a raccogliere dati nel 2018.
Nel 1911 Lise Meitner e Otto Hahn eseguirono un esperimento che dimostrò che le energie degli elettroni emesse dal decadimento beta avevano uno spettro continuo piuttosto che discreto. Nel 1930 Pauli postulò l’esistenza del neutrino per spiegare lo spettro continuo del decadimento beta. L’ipotesi di Pauli è che la trasformazione sia data da:
ZAX → Z∓1AY + e∓ + ν
dove la particella ν (neutrino) è neutra per la conservazione della carica, ha spin semiintero per la conservazione del momento angolare, ed ha massa a riposo così piccola che a lungo si è pensato fosse zero e nel 1931 Enrico Fermi ribattezzò il neutrone di Pauli in neutrino.
Metodi di misurazione della massa del neutrino
Sin da quando fu ipotizzato da Pauli, il neutrino ha rappresentato una sfida per i fisici a causa della sua natura sfuggente. Si comprese che esso doveva avere una massa molto più piccola rispetto alle altre particelle conosciute ad eccezione del fotone.
I metodi di misurazione della massa del neutrino prima di KATRIN si basavano su misure cinematiche di precisione sugli elettroni emessi in decadimenti di tipo β. Questo tipo di misura sfrutta il principio di conservazione dell’energia e il principio di conservazione della quantità di moto e quindi è l’unica che permette di stimare la massa del neutrino senza assunzioni teoriche sulle loro proprietà e in modo completamente indipendente dal modello.
Lo studio del decadimento beta del trizio utilizzando spettrometri β elettrostatici è stato l’approccio più sensibile, fornendo un limite superiore sulla massa dell’antineutrino dell’elettrone di 2.2 eV. Tuttavia, questi esperimenti spettrometrici soffrono di molte incertezze sistematiche perché l’energia dell’elettrone misurata deve essere corretta per l’energia persa negli stati atomici e molecolari eccitanti, nell’attraversamento della sorgente e nella diffusione attraverso lo spettrometro.
Un altro metodo sfrutta le misurazioni calorimetriche in cui la sorgente beta è incorporata nel rivelatore e l’energia emessa nel decadimento è interamente misurata dal rivelatore, ad eccezione della frazione sottratta dal neutrino. Questo eliminerebbe le incertezze sistematiche derivanti da una sorgente esterna di elettroni e in linea di principio può essere applicato anche a una varietà di isotopi con decadimento beta.
KATRIN e massa del neutrino
L’obiettivo primario di KATRIN è la misurazione della scala assoluta della massa del neutrino tramite la cinematica del decadimento dell’isotopo pesante dell’idrogeno ovvero il trizio. Basandosi su precedenti ricerche cinematiche, KATRIN sonda la massa del neutrino attraverso una misurazione precisa dello spettro di energia dell’elettrone risultante dal decadimento β del trizio molecolare.
Il componente principale di KATRIN è lo spettrometro più grande del mondo, lungo 23 metri e largo 10, dotato di strumentazioni per ridurre segnali di fondo indesiderati generati da contaminanti radioattivi, in cui il tritio subisce un decadimento beta, producendo un antineutrino e un elettrone la cui energia può essere misurata con precisione.
Poiché entrambe le particelle condividono l’energia, è possibile conoscere la massa del neutrino osservando gli elettroni con le più alte energie nello spettro. KATRIN ha condotto la sua prima campagna di misurazione nel 2019. In quattro settimane di acquisizione dei dati, ha ottenuto un limite di massa superiore pari a 1.1 eV, dimezzando il valore massimo determinato dalle misurazioni precedenti.
Nella seconda fase di misurazione durata più a lungo aumentando l’attività della sorgente di trizio e riducendo ulteriormente i segnali di fondo il valore è calato a 0.8 eV riducendo le incertezze statistiche di un fattore 3. KATRIN funzionerà per altri tre anni e ci si aspetta che tecnologie ancora più raffinate possano diminuire in misura sempre maggiore l’incertezza sulla massa del neutrino