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20 luglio 2013

T2K dimostra che il neutrino muonico si trasforma in neutrino elettronico

Politecnico di BARI – L’esperimento T2K dimostra definitivamente che il neutrino muonico si trasforma in neutrino elettronico

Il contributo italiano. Nella ricerca anche un docente del  Dipartimento Interateneo di Fisica del Politecnico e dell’Università di Bari

L’esperimento T2K sul neutrino è stato costruito ed è costantemente monitorato da una collaborazione internazionale composta da oltre 400 fisici provenienti da 59 differenti istituzioni e 11 diversi paesi su 3 continenti (Canada, Francia, Germania, Giappone, Italia, Polonia, Regno Unito, Russia, Spagna, Stati Uniti, Svizzera).  I costi relativi all’esperimento sul neutrino e alle infrastrutture necessarie ad esso associate sono state in buona parte  realizzate grazie al  Ministero Giapponese per l’Educazione, Cultura, Sport, Scienze e Tecnologie (MEXT) ma contributi significativi sono anche venuti dalle agenzie finanziatrici dei paesi partecipanti. In particolare: NSERC, NRC e  CFI, Canada; CEA e  CNRS/IN2P3, Francia; DFG, Germania; INFN, Italia; Ministero delle Scienze e dell’Educazione Superiore, Polonia; RAS, RFBR e  Ministero dell’Educazione e delle Scienza della Federazione Russa; MICINN e CPAN, Spagna; SNSF e SER, Svizzera; STFC, Regno Unito; DOE, USA.

La collaborazione italiana vede la partecipazione dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), attraverso i gruppi delle sezioni di Bari, Napoli, Padova e Roma, e delle Universita’ ad esso associate.

Il gruppo di ricerca di Bari è composto da Gabriella Catanesi ed Emilio Radicioni (INFN), Vincenzo Berardi del Politecnico di Bari, docente di Fisica Generale e Lorenzo Magaletti (studente del XXVI ciclo della Scuola di Dottorato in Fisica dell’Università degli Studi “Aldo Moro” di Bari), confermando una lunga tradizione di cooperazione fra gli Atenei Baresi e l’INFN all’interno della casa comune costituita dal Dipartimento Interateneo di Fisica. La dott.ssa Catanesi è inoltre responsabile nazionale per l’esperimento.

Nel 2011 la collaborazione aveva per prima dato indicazioni sull’esistenza di questo processo sul neutrino. Adesso con 3,5 volte più dati questa trasformazione viene definitivamente provata. Infatti la probabilità che una fluttuazione statistica possa produrre l’effetto osservato è inferiore a uno su mille miliardi. Ciò equivale ad escludere questa possibilità con una significanza statistica equivalente a 7,5 sigma. Questa misura di T2K è la prima nel suo genere in cui l’apparizione nel punto di rivelazione di neutrini diversi da quelli prodotti è osservata con una significanza statistica tale da escludere ogni altro processo.

Nell’esperimento T2K un fascio di neutrini muonici è prodotto nel complesso di acceleratori per la ricerca denominato J-PARC, localizzato presso il villaggio di Tokai nella prefettura di Ibaraki sulla costa est del Giappone.  Il fascio di neutrini, adeguatamente monitorato da un  insieme di rivelatori posti nel complesso di J-PARC, viene inviato a 295 km di distanza dove viene intercettato dal gigantesco (50.000 tonnellate) rivelatore Super-Kamiokande collocato all’interno delle miniere di Kamioka vicino alla costa ovest del Giappone.

Il complesso sistema di rivelatori che studia il fascio neutrino a J-PARC e’ in larga parte frutto di una collaborazione fra fisici europei e nord-americani.  I gruppi Italiani hanno partecipato al design e alla realizzazione delle 3 grandi camere a deriva di nuova generazione nonche’ al progetto del ripristino del magnete che permette di distinguere le particelle di carica positiva da quelle di carica negativa.   Quest’ultimo non e’ un oggetto qualsiasi, bensi lo storico magnete utilizzato dall’esperimento UA1 al CERN che valse il premio Nobel a Carlo Rubbia nel 1983. Rimesso in funzione , caricato su una nave e portato in Giappone ha cominciato una nuova vita. Un caso di longevita’  tecnologica notevole e di riciclaggio ben riuscito.

L’analisi dei dati del rivelatore Super-Kamiokande correlata con i tempi di arrivo dei neutrini da J-PARC ha rivelato la presenza di più neutrini elettronici (per un totale di 28) rispetto a quelli aspettati (4,6) in assenza di questo nuovo processo.

L’oscillazione di neutrini è la manifestazione di un fenomeno di interferenza quanto-meccanica su larga scala.  In particolare l’osservazione di questo nuovo tipo di oscillazione  apre la strada alla possibilità di studiare  la violazione di parità nel settore dei leptoni a sua volta indissolubilmente associata all’asimmetria materia antimateria nell’universo.  Questo fenomeno è  già stato osservato tra i quarks.   La violazione di parità fra tipi di neutrini nelle prime fasi di vita dell’universo potrebbe spiegare  uno dei grandi misteri della scienza cioè il perché il nostro mondo attuale sia dominato dalla presenza di materia, mentre la quantità di antimateria è trascurabile.  Adesso che T2K ha stabilito l’esistenza di questa forma di oscillazione che è a sua volta sensibile agli effetti dovuti alla violazione di parità, diventa possibile iniziare una ricerca sistematica di questi fenomeni.  L’esperimento T2K che nei prossimi anni conta di raccogliere una quantità  di dati 10 volte superiore a quelli che hanno permesso questa scoperta, sarà senz’altro fra i protagonisti di questa nuova sfida scientifica. Per far questo si prevede di inviare non solo neutrini ma anche anti-neutrini da J-PARC a Super-Kamiokande.

Si deve sottolineare che questa importante scoperta sul neutrino non sarebbe stata possibile senza l’ostinato e instancabile sforzo del personale del complesso di J-PARC che in soli 11 mesi è riuscito a ripristinare e rimettere in funzione l’intera struttura dopo il devastante terremoto dell’11 marzo 2011 permettendo all’esperimento T2K di riprendere la presa dati bruscamente interrotta.

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