Nel vasto enigma dell'universo contemporaneo, dominato dalla materia ordinaria, si cela una domanda fondamentale che tormenta i fisici da decenni: perché l'antimateria è praticamente scomparsa? Quando il cosmo era appena nato, circa 14 miliardi di anni fa, materia e antimateria venivano generate in quantità identiche da quel ribollente calderone di energia primordiale. Elettroni negativi e positroni positivi si materializzavano in perfetto equilibrio, per poi annichilirsi reciprocamente al momento del contatto. Eppure oggi viviamo in un universo fatto quasi esclusivamente di materia, un'anomalia che rappresenta uno dei misteri più profondi della fisica moderna.
Per cercare risposte, due delle più imponenti collaborazioni scientifiche internazionali hanno deciso di unire le forze in un'impresa senza precedenti. I risultati di questa alleanza tra l'esperimento americano NOvA e quello giapponese T2K sono stati pubblicati su Nature, presentando alcune delle misurazioni più precise mai ottenute nel campo della fisica dei neutrini. La strategia vincente è stata quella di combinare i dati raccolti da entrambi i progetti per ottenere informazioni che nessuno dei due avrebbe potuto ricavare autonomamente.
I neutrini rappresentano la chiave di volta di questa ricerca. Queste particelle subatomiche, spesso definite "fantasmatiche" per la loro capacità di attraversare indisturbate qualsiasi tipo di materia, potrebbero svelare il meccanismo che ha favorito la materia rispetto all'antimateria nelle fasi iniziali dell'universo. L'obiettivo principale è capire se i neutrini ordinari e gli antineutrini, le loro controparti di antimateria, si comportano in maniera asimmetrica l'uno rispetto all'altro.
Ryan Patterson, professore di fisica al Caltech e co-responsabile della parte NOvA dello studio, spiega che integrando questi due sforzi di ricerca è possibile estrarre nuove intuizioni sul funzionamento dei neutrini. La complessità della fisica dei neutrini risiede nella difficoltà di isolare i singoli effetti, come sottolinea Kendall Mahn della Michigan State University, co-portavoce di T2K. Si tratta di un campo scientifico peculiare dove ogni misura richiede una precisione estrema e un'analisi meticolosa.
Entrambi gli esperimenti rientrano nella categoria dei "long baseline", termine tecnico che indica l'invio di fasci di neutrini attraverso la crosta terrestre per centinaia di chilometri. Il progetto NOvA, acronimo di NuMI Off-axis νe Appearance experiment, spara un fascio di neutrini per ben 810 chilometri dal Fermi National Accelerator Laboratory vicino Chicago fino a un rivelatore di 14.000 tonnellate situato ad Ash River, nel Minnesota. Questo gigantesco detector è composto da 344.000 celle individuali, ciascuna lunga circa 15 metri e riempita con una miscela di olio minerale e sostanze chimiche luminescenti.
L'impianto giapponese T2K, il cui nome deriva dal percorso Tokai-Kamioka, invia invece i suoi neutrini per 295 chilometri verso ovest, dalla città di Tokai, sede del Japan Proton Accelerator Research Complex, fino a Kamioka. Qui si trova il leggendario rivelatore Super-Kamiokande, un'enorme cisterna di acqua ultrapura collocata un chilometro sottoterra. Questo stesso strumento nel 1998 aveva scoperto che i neutrinos possiedono massa, una rivelazione storica che valse il Premio Nobel per la Fisica 2015 a due dei suoi scopritori.
Nonostante abbiano massa, i neutrini sono particelle estremamente leggere che esistono in tre "gusti" differenti: neutrino elettronico, muonico e tau. Il fenomeno più straordinario associato a queste particelle è la loro capacità di cambiare gusto mentre viaggiano nello spazio o attraverso la materia. Immaginando i gusti come gelati alla fragola, cioccolato e vaniglia, sarebbe come scoprire che il vostro cono alla fragola si è misteriosamente trasformato in cioccolato durante il tragitto verso casa.
Questo fenomeno, chiamato oscillazione dei neutrini, è legato al fatto che ogni gusto rappresenta una sovrapposizione quantistica di tre diversi "stati di massa", ciascuno con una massa distinta. Durante il viaggio dei neutrini, le proporzioni relative di questi tre stati si modificano, provocando il cambiamento di gusto. Per studiare questa oscillazione, i ricercatori producono neutrini o antineutrini di un gusto specifico alla sorgente e poi misurano quali gusti arrivano ai rivelatori.
Patterson evidenzia una complicazione ulteriore: mentre i neutrini attraversano la crosta terrestre, acquisiscono un tipo di asimmetria aggiuntiva oltre a quella potenzialmente intrinseca alle particelle stesse. È proprio questa asimmetria intrinseca che potrebbe aiutare a spiegare la scarsità di antimateria nel nostro universo. Separare questi due effetti rappresenta la sfida principale, anche se entrambi forniscono informazioni preziose sui neutrini.
Un aspetto particolarmente ostico della ricerca riguarda il fatto che gli scienziati non conoscono le masse effettive dei tre stati che compongono ogni gusto di neutrino. È come sapere che i gelati fragola, cioccolato e vaniglia sono fatti di tre ingredienti unici in proporzioni diverse, ma ignorare completamente quanto pesino questi ingredienti. I ricercatori stanno lavorando intensamente per determinare l'ordinamento relativo dei tre stati di massa, questione che si collega a un'ampia gamma di fenomeni dalla scala subatomica a quella cosmologica.
Esistono due possibili schemi di ordinamento: quello "normale", dove due stati di massa sono relativamente leggeri e uno è pesante, e quello "invertito", con due stati più pesanti e uno leggero. I risultati combinati di NOvA e T2K finora non favoriscono uno scenario rispetto all'altro. Tuttavia, se i dati futuri dovessero mostrare un ordinamento invertito, le evidenze pubblicate oggi suggerirebbero che i neutrini manifestano effettivamente l'asimmetria sospettata, spiegando potenzialmente il predominio della materia sull'antimateria.
L'orizzonte futuro della ricerca sui neutrini appare ricco di promesse. Gli scienziati continueranno ad analizzare ulteriori dati da NOvA e T2K, ma l'attenzione è già rivolta ai nuovi esperimenti pianificati per l'inizio degli anni 2030. Il team di Caltech, guidato da Patterson, sta contribuendo allo sviluppo del Deep Underground Neutrino Experiment, in costruzione tra Illinois e South Dakota. Con una baseline di 1.300 chilometri, questo progetto sarà più sensibile all'ordinamento di massa rispetto agli esperimenti attuali e potrebbe fornire una risposta definitiva poco dopo l'attivazione. Parallelamente, il Giappone sta costruendo Hyper-Kamiokande, successore di Super-Kamiokande, mentre la Cina lavora al Jiangmen Underground Neutrino Observatory, testimoniando l'impegno globale per svelare uno dei segreti più profondi dell'universo.