Neutrini dal CERN ai Laboratori INFN del Gran Sasso.

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La collaborazione internazionale dell’esperimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) ha presentato oggi, nel corso di un seminario ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso LNGS dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN, e in un articolo pubblicato sulla rivista scientifica Physical Review Letters, i risultati finali dei suoi 5 anni di osservazione dei neutrini prodotti con il progetto CNGS, CERN Neutrinos to Gran Sasso, un fascio di neutrini muonici. CNGS è stato realizzato per verificare il fenomeno della trasformazione dei neutrini muonici, misurando con il rivelatore OPERA l’apparizione di neutrini tau, dopo il loro viaggio dal CERN ai Laboratori sotterranei del Gran Sasso. Nei suoi risultati finali OPERA riporta un totale di 10 eventi indicativi della trasformazione dei neutrini da muonici in tau. Questo risultato dimostra in modo diretto e inequivocabile che i neutrini muonici oscillano in neutrini tau. Esistono, infatti, tre tipi di neutrini, muonico, elettronico e tau: la loro trasformazione è un processo noto come “oscillazione”, la cui scoperta è stata insignita del Premio Nobel per la fisica nel 2015.

I neutrini muonici prodotti al CERN tra il 2008 e il 2012 con il fascio CNGS raggiungevano i Laboratori INFN del Gran Sasso dopo aver percorso 730 km attraverso la crosta terrestre, in 2,4 millisecondi. Al loro arrivo erano rivelati dall’esperimento OPERA, un apparato di circa 4.000 tonnellate di massa complessiva, composto di 150.000 mattoncini costituiti da lastre di piombo, con cui interagivano i neutrini, ed emulsioni nucleari utilizzate per fotografare le interazioni.

La collaborazione OPERA ha osservato il primo evento di oscillazione di un neutrino muonico in uno tau nel 2010, seguito da quattro eventi rivelati tra il 2012 e il 2015, quando 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 tra il 2008 e il 2012 – vale a dire il periodo in cui è stato attivo il fascio dal CERN ai Laboratori del Gran Sasso – sono stati identificati in totale 10 eventi candidati, che hanno ulteriormente migliorato il livello di significatività statistica della scoperta. “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, docente dell’Università degli Studi di Napoli Federico II. “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”.

Il fenomeno dell’oscillazione dei neutrini

I tre tipi di neutrini, elettronici, muonici e del tau, che esistono in natura si distinguono perché, quando interagiscono con la materia, producono il leptone elettricamente carico di cui portano il nome, e cioè rispettivamente l’elettrone, il muone o la particella tau. L’esperimento OPERA è l’unico apparato in grado di rivelare tutti e tre questi leptoni carichi e dunque tutti e tre i tipi di neutrini.

Alcuni esperimenti in funzione a cavallo del millennio avevano mostrato che i neutrini muonici, dopo aver percorso lunghe distanze, producevano meno muoni del previsto nella loro interazione con i rivelatori: questo aveva suggerito che i neutrini muonici oscillassero in altri tipi di neutrini. E, siccome gli elettroni rivelati erano consistenti con le previsioni, i fisici avevano ipotizzato che i neutrini muonici oscillassero in neutrini tau. Questo fatto è stato confermato in modo definitivo da OPERA, attraverso l’osservazione diretta dell’apparizione dei neutrini tau alla distanza di 730 km dalla sorgente dei neutrini muonici. La comprensione del fenomeno dell’oscillazione dei neutrini contribuisce anche a far luce su alcune proprietà, come la massa, di queste particelle ancora misteriose.

Open data

La collaborazione OPERA ha reso pubblici i propri dati attraverso il CERN Open Data Portal. In questo modo, anche i ricercatori che non fanno parte della collaborazione OPERA potranno utilizzarli per condurre nuove ricerche. Inoltre, i dati messi a disposizione sono arricchiti da informazioni e strumenti di visualizzazione che ne aiutano l’interpretazione e l’utilizzo per scopi didattici. Questi di OPERA sono i primi dati non prodotti a LHC e le uniche interazioni di neutrini messe a disposizione sul portale Open Data del CERN, un programma lanciato nel 2014.

Dai neutrini alla società

Gli studi sui neutrini tau continueranno perché De Lellis e colleghi hanno proposto al CERN l’esperimento SHiP, in grado di osservare migliaia di neutrini tau e studiare così le proprietà del neutrino tau e della sua anti-particella, l’anti-neutrino tau, mai finora osservata.  Oltre agli studi sui neutrini, l’eredità di OPERA consiste anche nello sviluppo di nuove tecnologie. I ricercatori di Napoli hanno sviluppato tecnologie completamente automatizzate ad alta velocità e di accuratezza sub-micrometrica che hanno aperto la strada all’impiego su larga scala delle cosiddette pellicole di emulsioni nucleari per registrare tracce di particelle. Questa tecnologia trova applicazioni in una vasta gamma di altre aree scientifiche, come la ricerca di materia oscura. Infatti è in programma l’esperimento NEWSdm guidato da De Lellis per la ricerca della materia oscura con un approccio completamente innovativo in grado di misurare per la prima volta la direzione di provenienza galattica di queste particelle, sfruttando la risoluzione nanometrica raggiunta da queste nuove tecnologie.

Gli studi che si conducono a Napoli con la tecnologia delle emulsioni nucleari hanno anche un impatto sociale perché riguardano l’ottimizzazione dei piani di trattamento di adroterapia oncologica, oggetto di studio nell’esperimento FOOT. L’adroterapia è un’innovativa tecnica di trattamento usata in oncologia che utilizza fasci di particelle denominati adroni, come i protoni. Il progetto FOOT, infatti, punta alla caratterizzazione del comportamento dei protoni quando attraversano i tessuti umani in modo da ottimizzare i suoi effetti benefici nella terapia.

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