L’esperimento KATRIN supera la barriera di 1 elettronvolt per la massa del neutrino

I neutrini sono particelle subatomiche minuscole e neutre con una massa molto piccola, talmente piccola che per molto tempo gli scienziati hanno creduto che corrispondesse a zero. Si tratta delle particelle dotate di massa più abbondanti nell’universo; tuttavia, il fatto che interagiscono raramente con altra materia ne rende estremamente difficili il rilevamento e la misurazione della massa. I ricercatori che prendono parte all’esperimento internazionale KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) sono ora riusciti a misurare la massa di un neutrino con una precisione notevole.

Come mai è così importante conoscere la massa del neutrino? Ciò è dovuto al fatto che questi neutrini minuscoli sono rilevanti sia per la fisica delle particelle che per la cosmologia, indicando nuovi fenomeni fisici che si spingono oltre i modelli attuali e svolgendo un ruolo fondamentale nella formazione di strutture di grandi dimensioni, quali le galassie. Conoscere le dimensioni della sua massa potrebbe pertanto fornire informazioni preziose sul funzionamento dell’universo. Grazie al sostegno parziale da parte del progetto SENSE, finanziato dall’UE, gli scienziati coinvolti in KATRIN hanno stabilito un nuovo limite superiore per la massa di un neutrino: 0,8 eV. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista «Nature Physics».

Durante l’esperimento KATRIN, i ricercatori hanno esaminato un isotopo di idrogeno instabile denominato trizio, soggetto a un processo di decadimento radioattivo noto come decadimento beta. Al fine di misurare la massa del neutrino, hanno studiato la distribuzione dell’energia degli elettroni rilasciati nel corso del processo di decadimento beta. Come riferito in un articolo pubblicato sul sito web dell’Istituto di Fisica Max Planck a cura della Max Planck Society, partner del progetto SENSE, tale impresa «richiede uno sforzo tecnologico considerevole: l’esperimento della lunghezza di 70 metri alloggia la fonte di trizio più intensa al mondo, nonché uno spettrometro gigante per la misurazione dell’energia degli elettroni del decadimento con una precisione senza precedenti».Sin dall’inizio delle misurazioni nel 2019, il gruppo di ricerca ha migliorato la sensibilità dell’esperimento aumentando l’attività della fonte di trizio, ossia la velocità con la quale sono generate le particelle, di un fattore pari al 3,8, attenuando il rumore di fondo del 25 %. Il co-portavoce dell’esperimento, il prof. Christian Weinheimer dell’Università di Münster, in Germania, commenta i miglioramenti effettuati, dichiarando che «l’aumento del tasso del segnale e la riduzione del rumore di fondo si sono rivelati decisivi per il conseguimento del nuovo risultato». Nello stesso articolo, il prof. Guido Drexlin dell’Istituto di Tecnologia di Karlsruhe, dove è in corso l’esperimento KATRIN, dice che l’esperimento «sta procedendo alla perfezione».

La definizione di un nuovo limite superiore pari a 0,8 eV sulla massa del neutrino segna la prima volta nella storia che un esperimento di questo tipo entra nell’intervallo di massa sub-eV. Il precedente limite superiore su questa massa ottenuto dagli scienziati dell’esperimento KATRIN nel 2019 equivaleva a 1,1 eV. «La comunità della fisica delle particelle è entusiasta del superamento della barriera di 1 eV realizzato da KATRIN», osserva l’esperto di neutrini, il prof. John Wilkerson dell’Università del North Carolina, negli Stati Uniti.

La squadra dell’esperimento KATRIN continuerà a effettuare misurazioni della massa del neutrino fino alla fine del 2024, in concomitanza con il termine del progetto SENSE (Sterile neutrino search in tritium beta decay). Fino ad allora, i ricercatori si propongono «non solo di migliorare costantemente le statistiche degli eventi relativi ai segnali», ma anche di apportare «miglioramenti per ridurre ulteriormente il livello di fondo».

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progetto SENSE