Il Progetto 8 e la ricerca della massa del neutrino
Gli scienziati del Progetto 8 utilizzano una tecnica innovativa, la Spettroscopia di Emissione di Radiazione Ciclotronica, nel loro ambizioso tentativo di determinare la massa del sfuggente neutrino, con potenziali implicazioni per la nostra comprensione dell’universo.
Il Progetto 8 e la sua missione
Il Progetto 8 segna un importante traguardo nel suo tentativo di misurare la massa del neutrino. Il modesto neutrino, una particella subatomica elusiva che passa senza sforzo attraverso la materia normale, svolge un ruolo di grande rilievo tra le particelle che compongono il nostro universo. Per spiegare completamente come è nato il nostro universo, dobbiamo conoscere la sua massa. Ma, come molti di noi, evita di essere pesato.
Ora, un team internazionale di ricercatori provenienti dagli Stati Uniti e dalla Germania, che guida un’ambiziosa missione chiamata Progetto 8, riferisce che la loro strategia distintiva è un contendente realistico per essere il primo a misurare la massa del neutrino. Una volta completamente sviluppato, il Progetto 8 potrebbe aiutare a rivelare come i neutrini hanno influenzato l’evoluzione iniziale dell’universo come lo conosciamo.
Il traguardo del team di ricerca KATRIN
Nel 2022, il team di ricerca KATRIN ha stabilito un limite superiore per quanto potrebbe essere pesante il neutrino. Quel traguardo è stato un risultato straordinario che è stato decenni in preparazione. Ma questi risultati semplicemente restringono la finestra di ricerca. KATRIN raggiungerà presto e potrebbe un giorno anche superare i suoi limiti di rilevazione previsti, ma il neutrino piuma potrebbe essere ancora più leggero, sollevando la domanda: “Cosa c’è dopo?”
La Spettroscopia di Emissione di Radiazione Ciclotronica (CRES)
Nel loro studio più recente, il team del Progetto 8 riferisce sulla rivista Physical Review Letters che possono utilizzare una tecnica completamente nuova per tracciare e registrare in modo affidabile un fenomeno naturale chiamato decadimento beta. Ogni evento emette una piccola quantità di energia quando una rara variante radioattiva dell’idrogeno, chiamata trizio, decade nelle tre particelle subatomiche: un ione di elio, un elettrone e un neutrino.
La strategia di misurazione del Progetto 8
Il successo finale del Progetto 8 dipende da un piano ambizioso. Piuttosto che cercare di rilevare il neutrino, che passa senza sforzo attraverso la maggior parte delle tecnologie di rilevamento, il team di ricerca ha invece optato per una semplice strategia di misurazione che può essere riassunta come segue:
Sappiamo che la massa totale di un atomo di trizio equivale all’energia delle sue parti, grazie a Einstein. Quando misuriamo un elettrone libero generato dal decadimento beta, e conosciamo la massa totale, l’energia “mancante” è la massa e il movimento del neutrino.
Perché il Progetto 8?
Questi ricercatori hanno scelto di perseguire una strategia ambiziosa perché hanno valutato i pro e i contro e hanno concluso che potrebbe funzionare.
Talia Weiss è una studentessa di dottorato in fisica nucleare presso l’Università di Yale. Lei e i suoi colleghi del Progetto 8 hanno trascorso anni a capire come estrarre accuratamente i segnali degli elettroni dal rumore di fondo elettronico. Christine Claessens è un’associata post-dottorato presso l’Università di Washington che ha conseguito il suo dottorato di ricerca sul Progetto 8 presso l’Università di Mainz, in Germania. Weiss e Claessens hanno eseguito le due analisi finali che hanno posto limiti sulla massa del neutrino derivata dalla nuova tecnica per la prima volta.
La tecnica del Progetto 8
Il Progetto 8 si basa su una tecnica del genere, concepita oltre un decennio fa dai fisici Joe Formaggio e Ben Monreal, allora al lavoro al Massachusetts Institute of Technology. Un team internazionale si è radunato attorno all’idea e ha formato il Progetto 8 per convertire la visione in uno strumento pratico. Il metodo risultante è chiamato Spettroscopia di Emissione di Radiazione Ciclotronica (CRES). Cattura la radiazione a microonde emessa da elettroni appena nati mentre spiraleggiano in un campo magnetico. Questi elettroni portano via la maggior parte, ma non tutta, l’energia rilasciata durante un evento di decadimento beta. È quell’energia mancante che può rivelare la massa del neutrino. Questa è la prima volta che i decadimenti beta del trizio sono stati misurati, e un limite superiore è stato posto sulla massa del neutrino, con la tecnica CRES.
Approcci innovativi e sfide
Il team è interessato solo a tracciare questi elettroni perché la loro energia è fondamentale per rivelare la massa del neutrino. Mentre questa strategia è stata utilizzata in precedenza, il rilevatore CRES misura quella cruciale energia degli elettroni con la potenziale capacità di scalare oltre qualsiasi tecnologia esistente. E quella scalabilità è ciò che distingue il Progetto 8. Elise Novitski è un’assistente professore presso l’Università di Washington e ha guidato molti aspetti del lavoro recentemente pubblicato.
Dal Chirping ai Segnali
Un sottoinsieme di ricercatori del Progetto 8, guidato dal fisico sperimentale Noah Oblath del PNNL, ma coinvolgendo una dozzina di altri in diverse istituzioni, ha anche sviluppato una serie di software specializzati, ciascuno deliziosamente nominato dopo vari insetti, per prendere i dati grezzi e convertirli in segnali che possono essere analizzati. E gli ingegneri del progetto hanno messo i loro cappelli da inventori per inventare le varie parti che fanno funzionare il Progetto 8.
Arrivare al traguardo
Ora che il team ha dimostrato che il loro design e il sistema sperimentale funzionano utilizzando molecole di trizio, hanno un altro compito urgente davanti. Un sottoinsieme del team completo sta ora lavorando sul passo successivo: un sistema che produrrà, raffredderà e intrappolerà singoli atomi di trizio. Questo passo è complicato perché il trizio, come il suo cugino più abbondante idrogeno, preferisce formare molecole. Quelle molecole renderebbero irraggiungibili gli obiettivi finali del team del Progetto 8. I ricercatori, guidati dai fisici dell’Università di Mainz, stanno sviluppando un banco di prova per creare e intrappolare trizio atomico con intricate matrici di magneti che lo terranno lontano persino dalle pareti della cella campione, dove è quasi certo che ritorni alla forma molecolare.
Questo avanzamento tecnologico, e l’ingrandimento dell’intero apparato, saranno i passaggi critici per raggiungere e infine superare la sensibilità raggiunta dal team KATRIN.
Per ora, il team di ricerca, che ha membri contribuenti da dieci istituti di ricerca, sta lavorando su progetti di test per ingrandire l’esperimento dalla camera campione delle dimensioni di un pisello a una mille volte più grande. L’idea è quella di catturare molti più eventi di decadimento beta utilizzando un dispositivo di ascolto più grande, passando dalle dimensioni di un pisello a quelle di una palla da spiaggia.
Il Progetto 8 e la sua unicità
“Il Progetto 8 non è solo un esperimento CRES più grande e migliore, è il primo esperimento CRES ed è stato il primo a utilizzare mai questa tecnica di rilevamento”, ha detto Oblath. “Non era mai stato fatto prima. La maggior parte degli esperimenti ha una storia di 50 o 100 anni, almeno della tecnica di rilevamento che stanno utilizzando, mentre questa è davvero nuova di zecca.”