Il 4 ° sapore? Gli scienziati si avvicinano a un nuovo tipo di neutrino

Adoro un bel mistero, se si scopre che è stato il maggiordomo o se era il colonnello Mustard in biblioteca con un candeliere.

Ma amo ancora di più i misteri scientifici.

Di recente, gli scienziati che svolgono ricerche presso il Fermi National Accelerator Laboratory, o Fermilab, hanno annunciato una misurazione che è un vero enigma. Coinvolge una particella subatomica chiamata neutrino, che è il fantasma del microcosmo, in grado di passare attraverso la Terra senza interagire. E questo è PRIMA di iniziare a parlare delle cose strane.

La recente misurazione, eseguita da una collaborazione di scienziati chiamati MiniBooNE, potrebbe annunciare la possibile scoperta di un nuovo tipo di neutrino che potrebbe essere la fonte della materia oscura, uno dei più pressanti enigmi dell'astronomia moderna. Ma per capire come tutto sta insieme, devi conoscere la storia dei neutrini, che è una storia affascinante con colpi di scena che farebbero girare la testa ad Agatha Christie. [I 18 più grandi misteri irrisolti in fisica]

Il fisico austriaco Wolfgang Pauli ha proposto per la prima volta l'esistenza dei neutrini nel 1930. Ora sappiamo che i neutrini interagiscono solo attraverso quella che senza immaginazione viene chiamata "forza debole", che è la più debole delle forze che ha un impatto su distanze inferiori agli atomi. I neutrini vengono creati nelle reazioni nucleari e negli acceleratori di particelle.

Nel 1956, un team di fisici guidati dagli americani Clyde Cowan e Frederick Reines osservò per la prima volta le particelle spettrali. Per la loro scoperta, Reines ha condiviso il premio Nobel per la fisica nel 1995. (Cowan è morto prima che il premio fosse assegnato.)

Nel corso dei decenni, è diventato chiaro che c'erano tre diversi tipi di neutrini, ora chiamati aromi. Ogni sapore di neutrino è distinto, come il gelato napoletano alla vaniglia, alla fragola e al cioccolato della tua infanzia. I veri sapori dei neutrini derivano dalla loro associazione con altre particelle subatomiche. C'è il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tau, che sono collegati rispettivamente all'elettrone, al muone e al tau. L'elettrone è la particella familiare dall'interno degli atomi, e il muone e la tau sono i cugini più paffuti e instabili dell'elettrone.

Ogni sapore di neutrino è distinto e mai i due (o tre in questo caso) si incontreranno. O almeno così sembrava.

Negli anni '60 e '70 sorse un mistero ... un enigma sui neutrini, per così dire. I ricercatori americani Raymond Davis e John Bahcall hanno cercato di calcolare e misurare la velocità dei neutrini (in particolare i neutrini elettronici) prodotti nel più grande reattore nucleare intorno: il sole. Quando la previsione e la misurazione furono confrontate, non furono d'accordo. Lo sperimentatore Davis ha trovato solo circa un terzo dei neutrini elettronici previsti dal teorico Bahcall.

Quel particolare esperimento è stato sbalorditivo. Davis ha utilizzato un contenitore delle dimensioni di una piscina olimpionica piena di liquido per lavaggio a secco standard per rilevare i neutrini. L'idea era che quando i neutrini del sole colpivano gli atomi di cloro nel liquido di lavaggio a secco, quegli atomi si sarebbero trasformati in argon. Davis avrebbe aspettato un paio di settimane e poi avrebbe cercato di estrarre l'argon. Si aspettava qualcosa come 10 atomi di argon, ma ne ha trovati solo tre. Sì, hai letto bene ... solo tre atomi.

Oltre alla difficoltà sperimentale, il calcolo effettuato da Bahcall è stato impegnativo ed estremamente sensibile alla temperatura interna del sole. Un minuscolo, minuscolo, cambiamento nella temperatura del sole ha cambiato la previsione del numero di neutrini che dovrebbero essere prodotti.

Altri esperimenti hanno confermato la discrepanza osservata da Bahcall e Davis, ma data la difficoltà di ciò che hanno tentato di fare, ero abbastanza sicuro che uno di loro avesse commesso un errore. Sia il calcolo che la misurazione erano incredibilmente difficili da realizzare. Ma mi sbagliavo.

Un'altra discrepanza ha lasciato perplessi i ricercatori. I neutrini vengono prodotti nell'atmosfera terrestre quando i raggi cosmici provenienti dallo spazio si schiantano nell'aria che tutti respiriamo. Gli scienziati sanno con grande sicurezza che quando ciò accade, i neutrini muonici ed elettronici vengono prodotti in un rapporto di 2 a 1. Tuttavia, quando sono stati misurati questi neutrini, sono stati trovati neutrini muonici ed elettronici in rapporto 1 a 1. Ancora una volta, i neutrini hanno confuso i fisici.

Il mistero dei neutrini del sole e dei raggi cosmici dallo spazio è stato risolto nel 1998, quando i ricercatori in Giappone hanno utilizzato un enorme serbatoio sotterraneo di 50.000 tonnellate di acqua per studiare il rapporto tra neutrini muonici ed elettronici creati nell'atmosfera 12 miglia sopra il serbatoio , rispetto allo stesso rapporto creato dall'altra parte del pianeta, oa circa 8.000 miglia di distanza. Utilizzando questo approccio intelligente, hanno scoperto che i neutrini stavano cambiando la loro identità mentre viaggiavano. Ad esempio, nell'enigma di Davis-Bahcall, i neutrini elettronici del sole si stavano trasformando negli altri due sapori. [Immagini: all'interno dei migliori laboratori di fisica del mondo]

Questo fenomeno dei neutrini che cambiano i sapori, proprio come la vaniglia che diventa fragola o cioccolato, è chiamato oscillazione dei neutrini. Questo perché i neutrini non cambiano semplicemente la loro identità e si fermano. Invece, se viene concesso loro abbastanza tempo, i tre tipi di neutrini si scambiano continuamente le loro identità. La spiegazione dell'oscillazione del neutrino è stata confermata e ulteriormente chiarita nel 2001 da un esperimento condotto a Sudbury, Ontario.

Se hai trovato questa storia vertiginosa, siamo solo all'inizio. Nel corso degli anni, i neutrini hanno generato più sorprese di una telenovela durante la Sweeps Week.

Una volta stabilito il fenomeno dell'oscillazione del neutrino, gli scienziati potrebbero studiarlo utilizzando acceleratori di particelle. Potrebbero creare fasci di neutrini e caratterizzare la velocità con cui si trasformano da un sapore all'altro. In effetti, esiste un'intera industria dell'oscillazione dei neutrini, con acceleratori in tutto il mondo che studiano il fenomeno. Il laboratorio di punta per gli studi sui neutrini è il mio Fermilab.

Un quarto sapore?

Si è distinto uno studio nel 2001 condotto presso il laboratorio di Los Alamos da una collaborazione chiamata LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector). La loro misurazione non rientrava nel quadro accettato di tre diversi gusti di neutrini. Affinché i loro risultati avessero un senso, avevano bisogno di ipotizzare un quarto tipo di neutrino. E questo non era un tipo normale di neutrino. È chiamato "neutrino sterile", il che significa che, a differenza dei neutrini ordinari, non ha sentito la forza debole. Ma ha partecipato all'oscillazione dei neutrini ... il morphing dei sapori dei neutrini. Ed era probabilmente pesante, il che significa che era un candidato ideale per la materia oscura.

Quindi sarebbe una bella osservazione, ma molti altri esperimenti sui neutrini non erano d'accordo con loro. In effetti, il risultato LSND era un valore anomalo, così peculiare che di solito non veniva utilizzato nelle meta analisi della fisica dei neutrini.

E ora arriviamo alla recente misurazione dell'esperimento MiniBooNE al Fermilab. Il nome deriva da "BOOster Neutrino Experiment". Utilizza uno degli acceleratori del Fermilab chiamato Booster per produrre neutrini. Il “Mini” deriva dal fatto che quando fu costruito, era previsto un esperimento successivo più ampio.

Gli scienziati di MiniBooNE hanno scoperto che i loro dati supportano effettivamente la misurazione dell'LSD e, inoltre, se hanno combinato i loro dati con i dati dell'LSD, la forza statistica della misurazione è abbastanza forte da rivendicare una scoperta ... possibilmente di neutrini sterili.

Ma poi, c'è il fatto che molti altri esperimenti non sono assolutamente d'accordo con l'esperimento LSND (e ora MiniBooNE). Allora, che succede con quello?

Bene, questa, come si suol dire, è una buona domanda. Potrebbe essere che i ricercatori di LSND e MiniBooNE abbiano semplicemente trovato qualcosa che gli altri esperimenti hanno mancato. Oppure potrebbe essere che LSND e MiniBooNE abbiano entrambi fatto una falsa scoperta. Oppure potrebbe essere che questi due particolari apparati sperimentali siano sensibili in modi diversi dagli altri. Un parametro importante è che la distanza tra il punto in cui sono stati creati i neutrini e il luogo in cui sono stati rilevati era relativamente breve: solo poche centinaia di metri, o la lunghezza di apparati di diversi campi da calcio. I neutrini richiedono tempo per oscillare e, se si muovono, questo si traduce in distanza. Molti esperimenti sulle oscillazioni dei neutrini hanno rilevatori situati a poche o molte centinaia di miglia di distanza. Forse l'oscillazione importante si verifica rapidamente, quindi un rilevatore ravvicinato è fondamentale.

A complicare la questione è che le collaborazioni LSND e MiniBooNE, anche se separate da oltre un decennio, hanno coinvolto alcune delle stesse persone. Quindi è possibile che ripetano lo stesso errore. O forse esibendo la stessa brillantezza. È difficile esserne sicuri.

Allora, come lo risolviamo? Come scopriamo chi ha ragione? Bene, questa è scienza e, nella scienza, la misurazione e la replica vincono l'argomento.

E questa è una buona notizia. Dato che Fermilab ha scelto di sviluppare la sua capacità di studiare i neutrini, non uno, ma tre diversi esperimenti sui neutrini sono operativi o sono in costruzione, con brevi distanze tra la creazione e il punto di rilevamento dei neutrini. Uno si chiama MicroBooNE (una versione più piccola di MiniBooNE e con una tecnologia diversa), l'altro è ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) e il terzo è SBN (Short Baseline Neutrino). Tutti questi esperimenti sono di gran lunga superiori a MiniBooNE e LSND in termini di capacità tecniche, e quindi i ricercatori sperano che nell'arco di un paio di anni, faranno dichiarazioni definitive sul tema dei neutrini sterili.

Allora, quale sarà la risposta finale? Non lo so - questo è il problema della ricerca ... sei completamente confuso finché non lo sai. Ma quello che so è che questo è un mistero affascinante, con più della sua quota di sorprese e trucchi. Sono abbastanza sicuro che anche Sherlock Holmes sarebbe perplesso.

Pubblicato originariamente su .

Don Lincoln ha contribuito con questo articolo a WordsSideKick.com Voci di esperti: Op-Ed e approfondimenti.