La ricerca del neutrino sterile, una particella ipotetica che potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione della fisica fondamentale, ha subito un colpo significativo. L'esperimento KATRIN, situato presso il Karlsruhe Institute of Technology in Germania, ha condotto la più precisa misurazione diretta mai realizzata per individuare questo elusivo quarto tipo di neutrino, senza trovarne traccia. I risultati, pubblicati sulla rivista Nature, contraddicono diverse anomalie sperimentali accumulate negli anni e ridimensionano fortemente l'ipotesi dell'esistenza di questa particella che interagirebbe ancora più debolmente con la materia rispetto ai tre neutrini già noti dal Modello Standard.
I neutrini rappresentano uno dei grandi enigmi della fisica delle particelle: straordinariamente abbondanti nell'Universo eppure incredibilmente difficili da rilevare. La scoperta delle oscillazioni di neutrino, fenomeno che dimostra come queste particelle possiedano massa e possano trasformarsi da un tipo all'altro durante il loro movimento nello spazio, ha già modificato profondamente il panorama teorico consolidato. Negli ultimi decenni, risultati sperimentali inspiegabili provenienti da reattori nucleari e da misurazioni con sorgenti di gallio hanno alimentato la speculazione sull'esistenza di un quarto neutrino, denominato "sterile" proprio perché non parteciperebbe alle interazioni della forza debole come i suoi cugini elettronico, muonico e tau.
L'approccio metodologico di KATRIN si distingue radicalmente da quello degli esperimenti basati sulle oscillazioni. Invece di osservare come i neutrini cambiano identità dopo aver percorso distanze macroscopiche, KATRIN analizza la distribuzione energetica degli elettroni prodotti nel momento stesso in cui il neutrino viene creato, attraverso il decadimento beta del trizio. Quando un atomo di trizio decade, il neutrino emesso porta via parte dell'energia disponibile, alterando sottilmente lo spettro energetico dell'elettrone prodotto. Se occasionalmente venisse generato un neutrino sterile al posto di uno ordinario, questo lascerebbe una distorsione caratteristica, una sorta di "piega" riconoscibile nello spettro osservato.
L'apparato sperimentale si estende per oltre 70 metri e combina una sorgente gassosa di trizio priva di finestre con uno spettrometro ad altissima risoluzione capace di misurare con precisione le energie degli elettroni emessi. Tra il 2019 e il 2021, nel corso di 259 giorni di raccolta dati, KATRIN ha registrato circa 36 milioni di elettroni, confrontando le misurazioni con modelli dettagliati del decadimento beta e raggiungendo un'accuratezza migliore dell'1%. Il livello di rumore di fondo eccezionalmente basso garantisce che quasi tutti gli elettroni rilevati provengano effettivamente dal decadimento del trizio, permettendo una misurazione estremamente pulita dello spettro energetico.
Come spiega Thierry Lasserre del Max-Planck-Institut für Kernphysik di Heidelberg, che ha guidato l'analisi, il risultato di KATRIN è pienamente complementare agli esperimenti con reattori come STEREO. Mentre questi ultimi sono più sensibili a differenze di massa quadrata sterile-attiva inferiori a pochi elettronvolt quadrati (eV²), KATRIN esplora l'intervallo da pochi a diverse centinaia di eV². La convergenza dei due approcci fornisce ora evidenze consistenti e robuste contro l'ipotesi di neutrini sterili leggeri che si mescolerebbero significativamente con i tipi di neutrini conosciuti.
Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre la semplice esclusione di una particella ipotetica. Confermarne l'esistenza avrebbe rappresentato una rivoluzione nel Modello Standard, aprendo interrogativi su quale ruolo questi neutrini sterili avrebbero potuto giocare nell'evoluzione dell'Universo primordiale, nella nucleosintesi e persino nella composizione della materia oscura. La loro assenza, o quantomeno l'impossibilità di rilevarli nei parametri finora esplorati, riporta invece l'attenzione su spiegazioni alternative per le anomalie osservate negli altri esperimenti.
La collaborazione KATRIN non intende fermarsi qui. La raccolta dati proseguirà fino al 2025, quando saranno stati registrati oltre 220 milioni di elettroni nella regione di interesse, moltiplicando per un fattore sei le statistiche attuali. Come sottolinea Kathrin Valerius del KIT, co-portavoce dell'esperimento, questo incremento permetterà di spingere ulteriormente i limiti di precisione e sondare angoli di mescolamento ancora più piccoli degli attuali. Nel 2026 è previsto l'aggiornamento con il rivelatore TRISTAN, che registrerà l'intero spettro del decadimento beta del trizio con statistiche senza precedenti, aggirando lo spettrometro principale e misurando direttamente le energie degli elettroni.
TRISTAN aprirà una nuova finestra di osservazione verso neutrini sterili molto più pesanti, nell'intervallo di massa dei chiloelettronvolt (keV), dove queste particelle potrebbero persino costituire la materia oscura dell'Universo, come evidenzia Susanne Mertens, co-portavoce dell'esperimento presso il Max-Planck-Institut für Kernphysik.
