Lunedì 20 Agosto 2018
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Neutrini all'Opera!

A sinistra, una veduta del rivelatore Opera; a destra, un diagramma dall'articolo appena pubblicato mostra gli eventi osservati in funzione dell'energia; i dati sperimentali sono i pallini neri con le croci di "incertezza", le regioni in blu sono i livelli attesi e in rosso il livello di eventi di fono, molto basso al Gran Sasso.
A sinistra, una veduta del rivelatore Opera; a destra, un diagramma dall'articolo appena pubblicato mostra gli eventi osservati in funzione dell'energia; i dati sperimentali sono i pallini neri con le croci di "incertezza", le regioni in blu sono i livelli attesi e in rosso il livello di eventi di fono, molto basso al Gran Sasso. Credit: N. Agafonova et al. (OPERA Collaboration) - Physical review letters - DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.211801 - Creative Commons Attribution 4.0 International

L'esperimento congiunto al CERN e ai Laboratori del Gran Sasso conferma definitivamente le oscillazioni dei neutrini, che quindi hanno una massa.

 L'articolo è appena uscito (si veda l'abstract in fondo) e, contemporeaneamente, è stato anche dato l'annuncio dall'INFN ai Laboratori del Gran Sasso: le misure effettuate dal rivelatore Opera tra il 2008 e il 2012 mostrano inequivocabilmente l'oscillazione tra due tipi di neutrini, con conseguenze importanti sullo studio di queste particelle e il loro ruolo in numerosi fenomeni anche astrofisici.

 La questione della massa dei neutrini è strettamente legata alle loro oscillazioni, ovvero lo spontaneo passaggio tra i tre tipi conosciuti di neutrino elettronico (e), muonico (μ) e tauonico (τ). Le oscillazioni, peraltro, sono state essenziali per spiegare il deficit di neutrini solari osservato in passato e furono teorizzate dal fisico italiano Bruno Pontecorvo nel 1969, anche se non rientrano nel quadro del "Modello Standard" delle particelle elementari.

 L'esperimento OPERA ha lo scopo di osservare direttamente questo fenomeno di oscillazione, in particolare tra neutrini μ e τ. Nell'ambito dell'esperimento "CERN to Gran Sasso Neutrino beam" (CNGS), i neutrini muonici prodotti dall'acceleratore SPS del CERN di Ginevra (Svizzera) sono stati inviati verso il Gran Sasso (passando in linea retta prevalentemente attraverso la crosta terrestre) dove vengono rivelati da OPERA. Quest'ultimo è un rivelatore composto da due moduli: uno spettrometro magnetico e un bersaglio, composto di 150.000 mattoncini costituiti da lastre di piombo ed emulsioni nucleari utilizzate per fotografare le interazioni. Quando un neutrino di tipo tau interagisce con un mattoncino del bersaglio, viene creato un muone tau che effettua un breve tragitto nel bersaglio stesso (una frazione di millimetro, tipicamente) e successivamente decade in particelle più leggere, rivelate dagli scintillatori e nelle immagini fotografiche.

 I neutrini muonici sono stati prodotti al CERN in cinque anni, facendo collidere contro un bersaglio qualcosa come 180 miliardi di miliardi di protoni (1,8·1020), e hanno raggiunto i Laboratori INFN del Gran Sasso dopo aver percorso 730 km attraverso la crosta terrestre, in 2,4 millisecondi. OPERA ha osservato il primo evento di oscillazione nel 2010; questo è stato seguito da quattro eventi rivelati tra il 2012 e il 2015, quando la collaborazione ha annunciato la scoperta dell’apparizione del neutrino tau avendo raggiunto per la prima volta la significatività statistica necessaria.

 Ora, grazie a una nuova strategia di analisi applicata all'intero campione di dati raccolto, sono stati identificati in totale 10 eventi, che hanno ulteriormente migliorato il livello di significatività statistica della oscillazione (ora giunto a 6,1σ). “Abbiamo analizzato tutti i dati con una strategia completamente nuova, tenendo conto delle caratteristiche peculiari degli eventi”, spiega Giovanni De Lellis, responsabile della collaborazione internazionale OPERA. “E riportiamo anche – prosegue De Lellis – la prima osservazione diretta del numero leptonico del neutrino tau, ossia il parametro che discrimina i neutrini dalla loro controparte di antimateria, gli antineutrini”. “È molto gratificante vedere oggi che i risultati ottenuti superano ampiamente il livello di significatività statistica che avevamo previsto quando abbiamo proposto l’esperimento”.

 Per ora, esistono solo dei limiti superiori alla massa dei vari tipi di neutrino; tuttavia, i valori sono decisamente bassi ed è pertanto escluso che essi possano spiegare il problema della materia oscura. 

Abstract
The OPERA experiment was designed to study νμ→ντ oscillations in the appearance mode in the CERN to Gran Sasso Neutrino beam (CNGS). In this Letter, we report the final analysis of the full data sample collected between 2008 and 2012, corresponding to 17.97×1019 protons on target. Selection criteria looser than in previous analyses have produced ten ντ candidate events, thus reducing the statistical uncertainty in the measurement of the oscillation parameters and of ντ properties. A multivariate approach for event identification has been applied to the candidate events and the discovery of ντ appearance is confirmed with an improved significance level of 6.1σ. |Δm232| has been measured, in appearance mode, with an accuracy of 20%. The measurement of the ντ charged-current cross section, for the first time with a negligible contamination from ¯ντ, and the first direct evidence for the ντ lepton number are also reported.

 

Riferimenti
https://www.lngs.infn.it/it/news/neutrini-dal-cern-ai-laboratori-infn-del-gran-sasso-opera-presenta-i-risultati-finali-sulle-oscillazioni

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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