Primo rilevamento dell'acceleratore di particelle

Per la prima volta sono stati rilevati neutrini prodotti dalle reazioni nucleari innescate dal Large Hadron Collider. Sebbene i fisici fossero sicuri che le reazioni che si verificano quando le particelle vengono accelerate fino a raggiungere la velocità della luce e si scontrano insieme producono neutrini, catturarne le prove è stata una questione diversa. Il risultato potrebbe aiutare i fisici delle particelle a risolvere alcune delle grandi incognite relative al comportamento delle particelle subatomiche.

Negli anni '30, i fisici notarono che i prodotti di molte reazioni nucleari sembravano trasportare meno energia delle particelle che precedevano la reazione. Ciò viola la legge di conservazione dell’energia e la spiegazione ovvia era che c’erano altri prodotti che ci mancavano. Tali particelle, chiamate neutrini, dovrebbero essere molto leggere – per molto tempo si è pensato che fossero prive di massa – e interagire solo molto debolmente con oggetti più familiari. Altrimenti li avremmo trovati più facili da individuare.

Nonostante un certo disprezzo per l’idea di oggetti non rilevabili inventati esclusivamente per risolvere un problema, nel 1956 fu confermato che i neutrini provenivano da un reattore nucleare e la scoperta valse il Premio Nobel. Da allora è stato scoperto che provengono dal Sole, dalle interazioni tra i raggi cosmici e l'atmosfera superiore e da eventi astronomici ad alta energia come le supernove.

“Con ogni nuova fonte sono arrivate nuove intuizioni, con importanti implicazioni per molti campi, dalla fisica delle particelle alla geofisica, all’astrofisica e alla cosmologia”, scrive la collaborazione Forward Search Experiment (FASER). I ricercatori ne hanno addirittura identificati tre tipi, conosciuti come sapori. Sebbene migliaia di miliardi passino attraverso il nostro corpo ogni secondo, sono necessari enormi serbatoi d'acqua sepolti sottoterra per vedere le tracce create dalla piccola proporzione che produce o altera altre particelle nel loro passaggio.

I numeri prodotti in macchine come il Large Hadron Collider del CERN sono naturalmente una piccola frazione di quelli di origine astronomica, rendendo il compito di trovarli ancora più difficile. Tuttavia, ora questo è stato fatto da due squadre in modo indipendente.

"I neutrini sono prodotti in grande abbondanza nei collisori di protoni come l'LHC", ha detto a Phys.org Cristovao Vilela della collaborazione SND@LHC. "Tuttavia, fino ad ora, questi neutrini non erano mai stati osservati direttamente. La debolissima interazione dei neutrini con altre particelle rende la loro rilevazione molto impegnativa e per questo motivo sono le particelle meno studiate nel Modello Standard della fisica delle particelle."

In effetti, i neutrini sono le uniche particelle nel Modello Standard, e quindi confermate nella loro esistenza, che non sono state rilevate dai collisori di particelle.

Le due squadre hanno adottato approcci diversi alla cattura dei neutrini. La collaborazione FASER ha posizionato il rivelatore lungo la linea del fascio, in modo che i neutrini con la più alta energia, quelli che seguono un percorso simile a quello delle particelle, la attraversassero. Sebbene siano ancora difficili da osservare, i neutrini ad alta energia hanno maggiori probabilità di interagire con altra materia rispetto a quelli a bassa energia.

Il rilevatore FASER è costituito da 730 fogli di tungsteno, ciascuno spesso 1,1 mm (0,044 pollici), con pellicole di emulsione in mezzo. Il team è stato premiato con 153 rilevamenti sopra il livello di fondo, con energie superiori a 200 miliardi di elettronvolt in cinque mesi di osservazioni.

SND@LHC, invece, ha messo da parte il rilevatore e ha osservato solo otto eventi candidati. Entrambe le squadre hanno protetto i loro rilevatori con un centinaio di metri di roccia e cemento, bloccando la maggior parte delle altre particelle prodotte nella reazione. I neutrini, con la loro scarsa possibilità di interagire con tutta quella massa, passarono indenni. Tuttavia Viela lo spiegò per ogni neutrino. il rilevatore SND@LHC ha raccolto decine di milioni di muoni che hanno innescato segnali molto simili.

Le storie di aghi nei pagliai non rendono giustizia al tentativo di distinguere le interazioni dei neutrini da quelle causate dai muoni.

La scoperta è stata annunciata in due articoli in Physical Review Letters di FASER e SND@LHC