Uno dei misteri più profondi della cosmologia moderna riguarda un'asimmetria fondamentale dell'universo: perché, dopo il Big Bang, la materia ha prevalso sull'antimateria? Secondo i principi della fisica delle particelle, le due dovrebbero essere state prodotte in quantità identiche, e il loro incontro avrebbe dovuto generare una catastrofica annichilazione reciproca, lasciando un universo vuoto di energia. Invece, galassie, stelle, pianeti e vita sono qui a testimoniare che qualcosa ha inclinato la bilancia. Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Nature, frutto della collaborazione senza precedenti tra due dei più sofisticati esperimenti neutrinici al mondo, offre indizi concreti verso la risposta a questa domanda.
I protagonisti di questa ricerca sono i neutrini, particelle subatomiche quasi prive di massa e sprovviste di carica elettrica, che attraversano incessantemente lo spazio, i pianeti e persino i corpi umani senza quasi mai interagire con la materia ordinaria. Proprio questa elusività li rende strumenti eccezionali per sondare le leggi più profonde della fisica: non subendo le interferenze della materia circostante, portano con sé informazioni intatte sull'asimmetria fondamentale tra materia e antimateria.
I neutrini esistono in tre varietà, dette sapori: elettronico, muonico e tauonico. Durante il loro viaggio attraverso lo spazio, essi oscillano spontaneamente da un sapore all'altro, un fenomeno noto come oscillazione dei neutrini. Se neutrini e antineutrini oscillassero in modo differente, tale differenza costituirebbe una violazione della simmetria CP (simmetria carica-parità), il principio secondo cui materia e antimateria dovrebbero comportarsi come immagini speculari l'una dell'altra. Una rottura di questa simmetria potrebbe spiegare perché l'universo osservabile è composto prevalentemente di materia.
Per studiare questo fenomeno con la massima precisione, i team scientifici degli esperimenti NOvA (NuMI Off-axis νe Appearance) negli Stati Uniti e T2K (Tokai to Kamioka) in Giappone hanno deciso di unire i propri dataset in un'analisi congiunta, un approccio metodologico finora mai adottato su questa scala per esperimenti di neutrini a lungo raggio. NOvA proietta un fascio di neutrini per 810 chilometri dal Fermi National Accelerator Laboratory nei pressi di Chicago fino a un rivelatore da 14.000 tonnellate ad Ash River, in Minnesota. T2K, invece, invia il suo fascio per 295 chilometri dall'acceleratore J-PARC di Tokai fino al rivelatore Super-Kamiokande, situato nelle profondità del Monte Ikenoyama.
Le due configurazioni sono complementari per design: la maggiore distanza percorsa dal fascio di NOvA attraverso la crosta terrestre e la maggiore intensità del fascio di T2K permettono di campionare il fenomeno dell'oscillazione con sensibilità diverse, consentendo una determinazione più precisa dei parametri che governano il processo. La combinazione dei dataset ha migliorato significativamente la capacità di misurare le differenze di oscillazione tra neutrini e antineutrini, fornendo prove che suggeriscono una possibile violazione della simmetria CP nel settore leptonico.
Rilevare questi fenomeni è straordinariamente difficile sul piano tecnico. Dei miliardi di particelle generate dagli acceleratori, solo una minima frazione lascia segnali misurabili nei rivelatori. Sistemi elettronici ad alta velocità, algoritmi avanzati di ricostruzione degli eventi e tecniche di machine learning e intelligenza artificiale sono impiegati per identificare e interpretare le rarissime interazioni utili. Come sottolineato in un comunicato di Nature, la combinazione delle analisi sfrutta le sensibilità complementari dei due esperimenti, dimostrando il valore strategico della collaborazione internazionale.
La collaborazione NOvA-T2K coinvolge centinaia di scienziati provenienti da oltre una dozzina di Paesi tra Stati Uniti, Europa e Giappone, ed è supportata finanziariamente dal Dipartimento dell'Energia statunitense. Questo tipo di sforzo collettivo è destinato a diventare il modello operativo per la prossima generazione di grandi esperimenti di fisica delle particelle, nei quali la condivisione dei dati tra osservatori complementari costituirà la norma metodologica.
Le ricadute di questi esperimenti si estendono ben oltre la fisica fondamentale. Le tecnologie sviluppate per rilevare i neutrini — dall'elettronica ad alta velocità ai sistemi avanzati di analisi dati basati su intelligenza artificiale — trovano applicazione in numerosi settori industriali e formano una nuova generazione di ricercatori con competenze trasversali di alto livello. Come ha osservato Messier, i giovani scienziati che si immergono in data science, machine learning e elettronica attraverso questi esperimenti portano poi queste competenze profonde nell'industria e nella ricerca applicata.
I risultati attuali aprono la strada a esperimenti ancora più precisi. La prossima generazione di osservatori — tra cui il progetto DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), che prevede un rivelatore da 70.000 tonnellate nel Dakota del Sud — punta a misurare la violazione della simmetria CP con una precisione notevolmente superiore. Le domande che restano aperte sono numerose: la violazione di CP nei neutrini è davvero abbastanza grande da spiegare l'asimmetria materia-antimateria osservata nell'universo? Esistono altri meccanismi finora ignoti? Come ha sintetizzato Messier, la grandezza della domanda non deve paralizzare: scomporla in passi misurabili e successivi è esattamente il modo in cui la scienza avanza verso risposte su perché esistiamo nell'universo.
