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.

Physics news: "Dall'Europa 3,5 mln per studiare neutrini sterili al Gran Sasso"

“ 
(AGI) - Roma, 11 giu. - Premiato dall'European Research Council con un finanziamento di 3,5 milioni di euro, e' partito da pochi giorni il progetto SOX (Short distance neutrino Oscillations with BoreXino). Il riconoscimento (ERC Advanced Grant) e' stato attribuito nell'ambito del VII programma quadro europeo a Marco Pallavicini, professore all'Universita' di Genova e ricercatore dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Principal Investigator di SOX. Il progetto sara' sviluppato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN e avra' una durata di cinque anni.
  L'obiettivo di SOX e' la rivelazione di neutrini particolari, detti "sterili", con il principale rivelatore di neutrini solari e geofisici oggi in funzione nel mondo, Borexino, sviluppato e messo in funzione ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN da una collaborazione internazionale di circa 100 fisici provenienti da Italia, USA, Russia, Germania, Francia e Polonia. SOX studiera' un aspetto delle oscillazioni del neutrino, il fenomeno in base al quale i tre neutrini conosciuti (elettronico, muonico o tauonico) si trasformano l'uno nell'altro con variazioni periodiche durante la loro propagazione. In particolare, questo fenomeno, che e' stato osservato anche di recente dall'esperimento OPERA ai Laboratori INFN del Gran Sasso, presenta alcune anomalie e non spiega il numero di neutrini prodotti, inferiore a quanto previsto teoricamente. Una possibile spiegazione della "scomparsa" dei neutrini, suffragata anche da risultati recenti, prevede l'esistenza di altri tipi di neutrini, i neutrini sterili, che si mescolerebbero con i tre noti.
  Non interagendo attraverso nessuna delle interazioni fondamentali previste dal Modello Standard (elettromagnetica, nucleare forte e debole), i nuovi neutrini sarebbero poi ancora piu' elusivi dei neutrini conosciuti. SOX, in particolare, studiera' nel dettaglio la scomparsa del neutrino elettronico a breve distanza dalla sorgente, gia' osservata da diversi esperimenti. L'esperimento sfruttera' un innovativo generatore artificiale di neutrini (o di antineutrini) posto vicino o all'interno del rivelatore Borexino presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Oltre allo sviluppo dell'innovativa tecnologia per produrre neutrini in grande quantita' a breve distanza dal rivelatore, saranno elementi chiave di questo esperimento l'elevatissima sensibilita' di Borexino, le sue grandi dimensioni, il livello estremamente basso di radioattivita' presente ai Laboratori del Gran Sasso. La sensibilita' attesa, in particolare, sara' sufficiente a garantire o una chiara scoperta o l'esclusione di neutrini sterili come spiegazione delle anomalie del neutrino. "In caso di successo, la dimostrazione dell'esistenza dei neutrini sterili significhera' l'apertura di una nuova era nella fisica fondamentale delle particelle e nella cosmologia", ha spiegato Marco Pallavicini, coordinatore del progetto. "Sarebbe il primo segnale inequivocabile dell'esistenza di particelle oltre il Modello Standard elettrodebole, con profonde implicazioni sulla nostra comprensione dell'Universo e nuovi indizi sulla natura della materia oscura. Nel caso di un risultato negativo - ha continuato - saremmo in grado di dare un sostanziale contributo al dibattito circa la realta' delle anomalie dei neutrini, avremmo esplorato l'esistenza di nuova fisica nelle interazioni di neutrini a bassa energia e saremo in grado di fornire misure di grande precisione, di grande utilita' per la rivelazione dei neutrini solari con Borexino". (AGI). 

                       ”

Oscillazione dei neutrini: la teoria "stocastica" sfida Pontecorvo.

In questo video apparso qualche giorno fa su physicsworld.com viene discusso brevemente il fenomeno dell'oscillazione dei neutrini.
Volevo quindi utilizzare il pretesto di questo breve, ma sfizioso video, per parlarvi brevemente (almeno spero) di un articolo uscito qualche giorno fa su arXiv nel quale gli autori propongono un meccanismo che pare fornisca una spiegazione ad alcune delle cosiddette "anomalie" dei neutrini e nello specifico della "Gallium anomaly" (anomalia del gallio) e della "anomalia dei reattori nucleari" (per chi non avesse mai sentito parlare di queste anomalie consiglio la lettura di questo post). Essi propongono un diverso meccanismo di oscillazione che differisce dall'ipotesi originale di Pontecorvo, che è quella riassunta nel video sopra. Questo nuovo meccanismo si basa sul presupposto fenomenologico che ciò che viene identificato al momento della creazione, come per esempio un neutrino elettronico, non è unico, ma può variare per differenti neutrini prodotti in quella reazione. Ciò implica inoltre che quello che viene denominato come "neutrino elettronico" al momento della creazione possa presentarsi anche come una differente combinazione di autostati di massa di quello che si presume essere un neutrino elettronico al momento della rivelazione e quindi esso possa assumere differenti configurazioni rispetto ai parametri di mixing usuali  e cioè agli angoli di mixing  θ_{12 ,}θ_23,θ_13.