Il mistero che ha perseguitato la fisica delle particelle per tre decenni è stato finalmente risolto, ma non nel modo in cui molti speravano. L'esperimento Micro Booster Neutrino Experiment (MicroBooNE), dopo anni di raccolta e analisi di dati presso il Fermilab, ha escluso definitivamente l'esistenza del neutrino sterile, una particella ipotetica che per lungo tempo era stata considerata la chiave per spiegare anomalie inspiegabili nel comportamento dei neutrini. La conclusione, pubblicata sulla rivista Nature, segna un punto di svolta nello studio di queste particelle fondamentali ed elusorie, aprendo la strada a nuove ipotesi più audaci che potrebbero persino collegare i neutrini alla materia oscura.
I neutrini rappresentano uno degli enigmi più affascinanti della fisica contemporanea. Nonostante siano tra le particelle più abbondanti nell'universo, interagiscono così debolmente con la materia da attraversare interi pianeti senza lasciare traccia. Il Modello Standard della fisica delle particelle, pur essendo straordinariamente accurato nel descrivere le forze fondamentali e le particelle elementari, presenta lacune evidenti: non spiega la materia oscura, l'energia oscura o la gravità, e inizialmente assumeva che i neutrini fossero privi di massa. Questa ipotesi è crollata alla fine del XX secolo quando esperimenti hanno rivelato che i neutrini, che esistono in tre "varianti" distinte (elettronico, muonico e tau), possono oscillare da un tipo all'altro durante il loro viaggio attraverso lo spazio.
Come ha spiegato David Caratelli, professore assistente di fisica presso la UC Santa Barbara e coordinatore fisico dell'esperimento durante la fase di analisi, questa oscillazione può avvenire soltanto se i neutrini possiedono massa, una caratteristica non prevista dal Modello Standard. La scoperta dell'oscillazione dei neutrini ha rappresentato una delle prime crepe documentate nella teoria consolidata, suggerendo l'esistenza di fisica oltre i confini conosciuti. Negli anni Novanta, ulteriori anomalie emersero dagli esperimenti condotti al Liquid Scintillator Neutrino Detector presso il Los Alamos National Laboratory e successivamente all'esperimento MiniBooNE al Fermilab, dove si osservarono trasformazioni di neutrini muonici in neutrini elettronici in quantità incompatibili con le previsioni basate sui tre sapori noti.
L'ipotesi del neutrino sterile è nata proprio per spiegare queste discrepanze. A differenza dei neutrini ordinari che interagiscono attraverso la forza elettrodebole, un neutrino sterile non avrebbe interagito con la materia attraverso le forze fondamentali conosciute, rendendolo essenzialmente invisibile a tutti gli strumenti di rilevazione diretta. Come ha sottolineato Justin Evans, professore all'Università di Manchester e co-portavoce di MicroBooNE, questa particella ipotetica è stata per trent'anni la spiegazione più popolare alle anomalie osservate. La sua esistenza avrebbe implicato l'aggiunta di un quarto tipo di neutrino, aprendo scenari teorici completamente nuovi.
Per testare questa teoria con rigore senza precedenti, i ricercatori hanno sviluppato MicroBooNE, un sofisticato rivelatore basato su una camera a proiezione temporale ad argon liquido installata al Fermilab. Tra il 2015 e il 2021, l'apparato ha registrato le interazioni di neutrini prodotti da due fasci di particelle accelerate, con una precisione tale da permettere l'identificazione dettagliata di ogni singolo evento. La strategia sperimentale era chiara: produrre neutrini muonici, posizionare i rivelatori in posizioni ottimali e cercare la comparsa anomala di neutrini elettronici che avrebbe segnalato l'oscillazione attraverso un neutrino sterile intermedio. Il gruppo di ricerca ha confrontato il numero di neutrini elettronici rilevati con le previsioni teoriche sia includendo che escludendo l'esistenza del neutrino sterile.
I risultati sono stati inequivocabili: i dati concordavano perfettamente con le previsioni basate su un universo privo di neutrini sterili. Non è stata osservata alcuna eccedenza di neutrini elettronici rispetto alle aspettative del Modello Standard a tre sapori. Questa conclusione consolida un'analisi preliminare guidata dal gruppo della UC Santa Barbara e pubblicata su Physical Review Letters nell'estate del 2025, che aveva già evidenziato l'assenza di eccesso di neutrini elettronici. L'eliminazione del neutrino sterile come spiegazione rappresenta, secondo Caratelli, un cambio di paradigma per l'intera comunità scientifica, poiché costringe i fisici ad abbandonare un'idea consolidata e a esplorare ipotesi alternative più variegate.
Le anomalie originali osservate da LSND e MiniBooNE, tuttavia, restano un enigma irrisolto. Tra le nuove direzioni di ricerca, emerge l'ipotesi che alcune particelle potrebbero essere state identificate erroneamente negli esperimenti precedenti, o che potrebbero essere coinvolti fotoni associati a nuova fisica ancora sconosciuta. Xiao Luo, professore di fisica alla UC Santa Barbara e collaboratore di MicroBooNE, ha recentemente pubblicato un'analisi iniziale che esplora questa possibilità. Il programma Short Baseline Neutrino del Fermilab è destinato ad approfondire queste questioni attraverso studi multi-rivelatore di complessità crescente, applicando le tecniche raffinate durante MicroBooNE.
Parallelamente, sta procedendo la costruzione del Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), destinato a diventare il più grande rivelatore di neutrini mai realizzato. Collocato a oltre un miglio di profondità presso la Sanford Underground Research Facility nel South Dakota, DUNE riceverà un fascio intenso di neutrini ad alta energia inviato attraverso la Terra dal Fermilab, a 1.300 chilometri di distanza. Come ha osservato Caratelli, se MicroBooNE ha le dimensioni di un autobus scolastico, DUNE avrà proporzioni paragonabili a un campo da football. Questa scala monumentale, combinata con una precisione senza precedenti, potrebbe fornire risposte non solo sul comportamento dei neutrini, ma anche su questioni cosmologiche fondamentali come l'asimmetria tra materia e antimateria nell'universo.
L'eredità scientifica di MicroBooNE va oltre la confutazione del neutrino sterile. L'esperimento ha validato l'uso della tecnologia ad argon liquido per misurazioni di altissima precisione e ha addestrato una generazione di ricercatori alle complesse analisi dei dati che saranno cruciali per DUNE. La ricerca ha ricevuto finanziamenti parziali dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation. Secondo Matthew Toups, scienziato senior al Fermilab e co-portavoce di MicroBooNE, l'eliminazione dell'ipotesi del neutrino sterile non chiude un capitolo ma ne apre uno nuovo, potenzialmente ancora più rivoluzionario, nella comprensione delle particelle fondamentali e della struttura profonda dell'universo.
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