Sunday, June 8, 2014

Vita dura per i neutrini sterili e non solo



Si è appena conclusa a Boston la conferenza NEUTRINO2014 dedicata, così come vuole il nome, ai nuovi risultati sperimentali e teorici che provengono dal mondo di queste elusive e misteriose particelle, per l’appunto, i neutrini.

Ci sono parecchie novità interessanti e volevo quindi fare un piccolo riassunto sulle cose più sfiziose.

Partiamo dalla ricerca dei cosiddetti neutrini sterili, e cioè di quelle particelle ipotetiche che sono state introdotte per spiegare alcune anomalie riscontrate nel corso degli anni da alcuni esperimenti che non si inquadravano nel modello delle oscillazioni a tre neutrini. Il primo esperimento a riscontrare un’anomalia è stato LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) a Los Alamos, in cui è stato registrato un eccesso di antineutrini elettronici, con significatività di 3.8 sigma, su un fascio pressoché puro di antineutrini muonici. Se interpretati in uno schema di oscillazione a due neutrini, per la particolare configurazione della baseline, L, (la distanza tra sorgente di neutrini e rivelatore) e l’energia, E, da cui dipendono la probabilità di oscillazione di un neutrino muonico ad uno elettronico \[ P_{\nu_{\mu}\rightarrow\nu_{e}}\left(L,\, E\right)=\sin^{2}2\vartheta_{e\mu}\sin^{2}\left(1.267\:\frac{\Delta m_{41\,}^{2}L}{E}\right) \] questo eccesso sarebbe indicativo di un'oscillazione con una piccola ampiezza e un grande \(\Delta m^{2}\sim1\) \(\textrm{eV}{}^{2}\). Appare chiaro che un \(\Delta m^{2}\sim1\) \(\textrm{eV}{}^{2}\), non può essere incorporato in un modello a tre soli neutrini (elettronico, muonico e tauonico) in cui esistono solamente due differenze di masse al quadrato indipendenti. Infatti deve valere la relazione \[\Delta m_{21}^{2}+\Delta m_{32}^{2}+\Delta m_{31}^{2}=m_{2}^{2}-m_{1}^{2}+m_{3}^{2}-m_{2}^{2}-m_{1}^{2}-m_{3}^{3}=0\,\] e dal momento che la differenza di massa al quadrato dei “neutrini solari” è \(\Delta m_{SOL}^{2}=\Delta m_{21}^{2}=7.58_{-0.26}^{+0.22}\times10^{-5}\) \(\textrm{eV}{}^{2}\) e di “quelli atmosferici” è \(\Delta m_{ATM}^{2}=\left|\Delta m_{31}^{2}\right|\simeq\left|\Delta m_{32}^{2}\right|\simeq2.35_{-0.09}^{+0.12}\times10^{-3}\) \(\textrm{eV}{}^{2}\), non vi è spazio per una differenza di massa al quadrato dell'ordine dell'\(\textrm{eV}{}^{2}\), se non in uno schema in cui sia presente almeno un nuovo stato di neutrino massivo \(\nu_{4}\) sterile, per cui possa essere interpretata la differenza di massa al quadrato come \(\Delta m_{\textrm{new}}^{2}\equiv m_{4}^{2}-m_{1}^{2}=\Delta m_{41}^{2}\). Questo neutrino però deve essere sterile, e quindi non deve partecipare a nessuna delle interazioni (tranne quella gravitazionale) in quanto esistono delle misure effettuate al LEP sul decadimento del bosone Z in neutrini, che indicano che il numero di neutrini “attivi” (e cioè quelli che interagiscono per forza debole) deve essere esattamente tre.




L'esperimento MiniBooNE

Per verificare o rifiutare il risultato di LSND è quindi stato concepito e realizzato l'esperimento MiniBooNE al Fermilab, e sebbene i risultati di questo esperimento non siano stati conclusivi, anche MiniBooNE ha registrato un eccesso sopra il fondo predetto di neutrini (antineutrini) elettronici su un fascio di neutrini (antineutrini) muonici con una significatività di 3.8 sigma non interpretabile nel semplice schema a tre neutrini. Se interpretato in termini di oscillazioni mediate dai neutrini sterili si trova che lo spazio dei parametri permesso presenta una certa sovrapposizione con quella trovata da LSND, come potete evincere da questa grafico sotto.
Spazio dei parametri permesso a seguito dei risultati di LSND (regioni piene blu) e MiniBooNE, regioni racchiuse dalle linee colorate. Nell'asse verticale è rappresentato la "nuova" differenza di massa al quadrato tra gli autostati dei neutrini massivi di cui uno è sterile, mentre nell'asse orizzontale è rappresentata la nuova ampiezza di oscillazione per un neutrino (antineutrino) muonico di trasformarsi in un neutrino (antineutrino) elettronico. Come si può vedere c'è una certa sovrapposizione tra le regioni permesse di LSND e MiniBooNE.

Gli altri indizi in favore dei neutrini sterili

Non è certamente la fine della storia, infatti, in alcuni esperimenti in cui si studiano gli antineutrini elettronici provenienti da reattori nucleari con baseline minori di 100 metri si evince un rapporto tra il flusso di antineutrini rivelati e il flusso degli antineutrini predetti (in assenza di oscillazione) sensibilmente minore di 1, il che potrebbe sempre indicare una sparizione degli antineutrini elettronici e dato il particolare rapporto L/E, questo conduce ad una differenza di massa al quadrato \(\Delta m^{2}\sim1\) \(\textrm{eV}{}^{2}\). Ci si riferisce a questa discrepanza come alla “reactor antineutrino anomaly” (l’anomalia degli antineutrini da reattori nucleari).

Sempre sulla stessa falsa riga esistono delle indicazioni di sparizione “anomala” di neutrini elettronici provenienti da sorgenti radioattive artificiali negli esperimenti GALLEX e SAGE a cui ci si riferisce con l’appellativo “gallium anomaly” (anomalia del gallio, in quanto entrambi gli esperimenti utilizzano il gallio per rivelare i neutrini) e anche in questo caso i neutrini sterili potrebbero aiutare a spiegare l’anomalia e si evincerebbe sempre che \(\Delta m^{2}\sim1\) \(\textrm{eV}{}^{2}\) .

Il quadro tuttavia è davvero complicato perché per quanto tutte queste indicazioni suggeriscano un valore simile del \(\Delta m^{2}\sim1\) \(\textrm{eV}{}^{2}\), che farebbe quindi pensare al fatto che l’interpretazione in termini di neutrini sterili sembri consistente, in realtà per il particolare schema interpretativo delle oscillazioni adottato, il cosiddetto “3+1”(tre neutrini attivi e uno sterile), anche altre indicazioni, per esempio l’osservazione della sparizione dei neutrini muonici ad un dato L/E, dovrebbero essere osservate, ma questo non è ancora successo. Infatti nello schema “3+1” (così come in qualsiasi schema di oscillazione dei neutrini) si deve sottostare a dei vincoli incrociati, per cui se un esperimento osserva la sparizione dei neutrini elettronici con determinati parametri, questi ultimi poi si rivelano collegati attraverso a qualche relazione anche, per esempio, alla sparizione dei neutrini muonici.

In particolare le probabilità di oscillazione per la scomparsa dei neutrini (antineutrini) elettronici introdotta per interpretare la “gallium anomaly” e la “reactor antineutrino anomaly” è intimamente legata a quella del canale di apparizione dei neutrini elettronici da una fascio di neutrini muonici, come in LSND e MiniBooNE, e a quella che governa la sparizione dei neutrini muonici. E sono proprio i risultati provenienti da questo canale che complicano il quadro, infatti gli esperimenti che hanno cercato per una possibile sparizione dei neutrini muonici ad un preciso L/E (e quindi per un \(\Delta m^{2}\sim1\) \(\textrm{eV}{}^{2}\)) non hanno trovato alcuna evidenza, ed hanno potuto quindi solamente escludere parte dello spazio dei parametri di oscillazione.

Tuttavia se non vengono osservate queste sparizioni, si possono indirettamente porre dei vincoli anche sullo spazio dei parametri che concerne al canale di LSND e MiniBooNE e cioè \(\overline{\nu}_{\mu}\rightarrow\overline{\nu}_{e}\) e \(\nu_{\mu}\rightarrow\nu_{e}\).

Il nuovo risultato di MINOS, le speranze si affievoliscono?

Ed ora, dopo questa lunga premessa arriviamo al nuovo risultato di MINOS. Nel rivelaore MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) i neutrini prodotti da un fascio di protoni al Fermilab (NuMI) vengono rivelati con due diversi rivelatori, uno vicino alla sorgente al Fermilab a circa 1 km dalla sorgente del fascio ed uno lontano a circa 735 Km nel Minnesota.
I neutrini sterili dovrebbero causare quindi una sparizione aggiuntiva (rispetto a quella già prevista nel modello a 3 neutrini) dei neutrini e antineutrini muonici nel rivelatore lontano (\(\nu_{\mu}\rightarrow\nu_{\mu}\),), inoltre dal momento che le interazioni di corrente neutra (NC) sono identiche per tutti e tre i sapori dei neutri attivi, il rapporto degli eventi dovuti a queste interazioni nei due diversi rivelatori non è influenzato dalle oscillazioni standard, mentre le oscillazioni dei neutrini attivi in neutrini sterili (\(\nu_{\mu}\rightarrow\nu_{s}\)) (che non interagiscono debolmente e quindi nemmeno con interazioni NC) dovrebbero causare la riduzione degli eventi di corrente neutra (NC), dipendente dall’energia.

I risultati preliminari per la ricerca dei neutrini sterili sono riassunti in questo grafico in cui è mostrato il limite di esclusione ottenuto dallo studio della sparizione dei neutrini muonici nel piano costituito dalla differenza di massa al quadrato tra i neutrini massivi (il pedice 4 ricorda che stiamo aggiungendo un neutrino sterile) e dell’ampiezza di oscillazione governata dal nuovo angolo di mescolamento.


Le zone colorate sono quelle escluse dagli esperimenti, mentre le zone bianche sono quelle che ancora sopravvivono. Come si può evincere MINOS, con la sua zona colorata di rosa, ha escluso una parte dello spazio dei parametri a piccoli \(\Delta m^{2}\) e relativamente grandi ampiezze di oscillazione, non coperta dagli esperimenti precedenti, quali per esempio CDHS e CCFR. Questo risultato ha delle implicazioni/ripercussioni indirette sul risultato di LSND e MiniBooNE, ed è quindi possibile ottenere una curva di esclusione (ribadisco indiretta), sullo spazio dei parametri testato da questi due esperimenti. Il risultato di MINOS, combinato con il risultato di Bugey, è quello che potete vedere nei grafici qui sotto ed è indicato dalla linea rossa, che esclude buona parte dello spazio dei parametri permesso da LSND e MiniBooNE.



Non c'è più "spazio" per i neutrini sterili?

Ma cosa significa che lo spazio dei parametri favorito da LSND e MiniBooNE è stato quasi interamente escluso? Vorrebbe dire che non c’è più spazio per l’interpretazione in termini di neutrini sterili? Anche se la situazione appare relativamente “tragica”, invito alla cautela nel trarre conclusioni che potrebbero rilevarsi affrettate (come spesso sta accadendo nella comunità scientifica o meglio nella comunità “mediatica”) in primo luogo perché si tratta di un risultato indiretto e preliminare e secondariamente perché comunque esistono tanti altri indizi che questo risultato non intacca.

MINOS non fa altro che accentuare l’ormai nota tensione dello schema “3+1” tra i canali di apparizione e sparizione in cui, nel primo caso, i segnali della presenza di neutrini sterili sono positivi (e relativamente consistenti), nel secondo caso invece i segnali sono tutti negativi. Alcuni hanno tentato di superare questa tensione considerando modelli in cui vengano inclusi più neutrini sterili, due e persino tre, il che aiuterebbe ad alleviare queste tensioni a discapito però di un'aggiunta smodata di nuovi parametri teorici, personalmente quindi non faccio il tifo per questo tipo di soluzione. Non ci resterà quindi che aspettare i dati che arriveranno a breve da altri esperimenti volti a trovare/confutare altri indizi sull’esistenza dei neutrini sterili.

Altre risultati e altre anomalie

Ma le sorprese non finisco qui, infatti la collaborazione RENO, che studia la sparizione degli antineutrini elettronici prodotti da sei reattori in un sito in Corea con lo scopo di misurare l’angolo di oscillazione theta13, con due diversi rivelatori uno “vicino” a circa 292 metri dal sito in cui sono posti i reattori nucleari e l’altro “lontano” a circa 1380 metri da quest’ultimo.

RENO ha da una parte confermato i risultati già noti che provengono da un esperimento simile Daya Bay in Cina, riscontrando un valore \[\sin^{2}\left(2\vartheta_{13}\right)=0.101\pm0.008\left(\textrm{stat.}\right)\pm0.010\left(\textrm{sist.}\right)\] da un’analisi del solo rapporto tra gli eventi osservati e quelli predetti (ma non dalla distorsione spettrale in energia), ma dall’altra parte ha riscontrato un’anomalia tra i dati sperimentali e le predizioni Monte Carlo (MC) ottenute inserendo i valori già conosciuti dei parametri di oscillazione, anomalia a cui la stessa collaborazione si riferisce con il seguente annuncio “osservazione di una nuova componente dei neutrini da reattore all’energia di 5 MeV”.

Infatti come si evince dal grafico sotto, dove viene mostrate la quantità (Dati-MC)/MC in funzione dell’energia per le osservazioni fatte nel rivelatore vicino (grafico a sinistra) e in quello lontano (grafico a destra), quest’ultima presenta una discrepanza dal valore atteso all'unità e cioè un chiaro eccesso all'energia di 5 MeV che è pari a circa il 2.3% (1.7%) rispetto al flusso atteso nel rivelatore vicino (lontano), con una significatività di 3.6 sigma.


Questo eccesso risulta totalmente incompreso allo stato attuale ma sembrerebbe correlato alla potenza termica dei reattori nucleari, così come suggerito dalla collaborazione, in quanto sembrerebbe presentarsi solamente quando alcuni reattori vengono spenti e altri no, come evidenziato da questo grafico.


La trama si infittisce 

La questione a mio parare interessante è che “questo strano comportamento” viene riscontrato da un esperimento simile, ma indipendente quale Double Chooz, un complesso di due reattori e altrettanti rivelatori (uno vicino a circa 400 metri e uno lontano a circa 1050 metri) in Francia che ha lo stesso obiettivo di RENO e cioè la misura dell’angolo theta13.

La misura dichiarata da Double Chooz è di \[\sin^{2}\left(2\vartheta_{13}\right)=0.09\pm0.03\] che proviene dallo studio sia del rapporto che della distorsione spettrale in energia, tuttavia il fit relativo alla distorsione spettrale non è ottimale (come potete osservare voi stessi nella figura sotto).


Infatti anche nei dati di Double Chooz è evidente un eccesso nella regione di energia compresa tra 4 MeV e 6 MeV che non è ad ora previsto nel modello delle oscillazioni.

Non solo, nei dati di Double Chooz pare esserci anche un deficit ad energie poco al di sotto di 4 MeV e un altro a circa 7 MeV, anche se la significatività di quest’ultimi non risulta altissima. Così come nel caso di RENO l’eccesso a 5 MeV sembra essere correlato con la potenza termica dei reattori e infatti si presenta quando sono entrambi accesi, come mostrato in questo grafico, e non quando è acceso solo un reattore.


Sebbene la collaborazione, più cautamente, non parli di “osservazione di una nuova componente” come invece ha fatto la collaborazione RENO, essa dichiara palesemente che questa struttura non “è ancora compresa” e azzarda alcune ipotesi sulla sua natura etichettandole come “possibili” o da “scartare” in base alla consistenza scientifica rispetto ad altre osservazioni, che è riassunta in questa tabella.


L’ipotesi più consistente sembrerebbe quella secondo la quale l’eccesso sia un effetto dovuto alla incertezze sulla predizione teorica dei flussi dei neutrini da reattore (altro tema molto caldo) che potrebbe spiegare sia l’eccesso ma anche il deficit, tuttavia il fenomeno fisico responsabile sarebbe ad ora sconosciuto.

Cosa rimane da aggiungere? Ci sarebbero ancora molte considerazioni da fare, ma mi fermo qui e mi riservo un altro post in seguito per approfondire e per presentare anche gli altri risultati. Ci sono anche alcune novità dal fronte Daya Bay, Ice Cube, e dalle misure sul doppio decadimento beta senza neutrini.

Stay tuned ;)
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Aggiornamenti

- L'eccesso di antineutrini nella regione di energia compresa tra 4 MeV e 6 MeV, con una significatività di 4.1 sigma, è stato osservato anche dalla collaborazione Daya Bay, che ha presentato l'analisi alla conferenza ICHEP a Valencia, le slides che riguardano l'eccesso sono consultabili al seguente link alle pagine 9-13.

- Nel seguente articolo apparso su arXiv, firmato dalla collaborazione Double Chooz, nella sezione 8.3 "Observed Spectrum Distortion", sono presenti maggiori dettagli riguardo all'eccesso.

- In questo articolo invece gli autori dichiarano di essere stati in grado di individuare, sotto forma di alcuni prodotti fissili secondari, la possibile fonte di questo eccesso di antineutrini da reattore. Questo è stato possibile attraverso i loro dettagliati calcoli dei processi beta ab initio che avvengono in un tipico reattore ad acqua pressurizzata.
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