Gli scienziati spesso si riferiscono al neutrino come la “particella fantasma.”I neutrini erano una delle particelle più abbondanti all’origine dell’universo e lo rimangono oggi. Le reazioni di fusione nel sole ne producono vasti eserciti, che si riversano sulla Terra ogni giorno. Trilioni passano attraverso i nostri corpi ogni secondo, poi volano attraverso la Terra come se non ci fosse.

“Mentre per la prima volta postulato quasi un secolo fa e rilevato per la prima volta 65 anni fa, i neutrini rimangono avvolti nel mistero a causa della loro riluttanza a interagire con la materia”, ha detto Alessandro Lovato, fisico nucleare presso il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory.

Lovato è un membro di un gruppo di ricerca di quattro laboratori nazionali che ha costruito un modello per affrontare uno dei tanti misteri sui neutrini—come interagiscono con i nuclei atomici, sistemi complicati fatti di protoni e neutroni (“nucleoni”) legati insieme dalla forza forte. Questa conoscenza è essenziale per svelare un mistero ancora più grande-perché durante il loro viaggio attraverso lo spazio o la materia neutrini magicamente trasformarsi da uno in un altro di tre possibili tipi o “sapori.”

Per studiare queste oscillazioni, due serie di esperimenti sono stati intrapresi presso il Fermi National Accelerator Laboratory del DOE (MiniBooNE e NOvA). In questi esperimenti, gli scienziati generano un intenso flusso di neutrini in un acceleratore di particelle, quindi li inviano in rivelatori di particelle per un lungo periodo di tempo (MiniBooNE) o cinquecento miglia dalla sorgente (NOvA).

Conoscendo la distribuzione originale dei sapori di neutrini, gli sperimentalisti raccolgono quindi dati relativi alle interazioni dei neutrini con i nuclei atomici nei rivelatori. Da queste informazioni, possono calcolare eventuali cambiamenti nei sapori del neutrino nel tempo o nella distanza. Nel caso dei rivelatori MiniBooNE e NOvA, i nuclei provengono dall’isotopo carbonio-12, che ha sei protoni e sei neutroni.

“Il nostro team è entrato in scena perché questi esperimenti richiedono un modello molto accurato delle interazioni dei neutrini con i nuclei del rivelatore su un ampio intervallo di energia”, ha detto Noemi Rocco, postdoc nella divisione Fisica di Argonne e Fermilab. Data l’elusività dei neutrini, ottenere una descrizione completa di queste reazioni è una sfida formidabile.

Il modello di fisica nucleare del team di interazioni di neutrini con un singolo nucleone e una coppia di essi è il più accurato finora. “Il nostro è il primo approccio per modellare queste interazioni a un livello così microscopico”, ha affermato Rocco. “Gli approcci precedenti non erano così a grana fine.”

Uno dei risultati importanti del team, basato su calcoli effettuati sul supercomputer Mira ora in pensione presso l’Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), è stato che l’interazione della coppia nucleone è cruciale per modellare accuratamente le interazioni dei neutrini con i nuclei. L’ALCF è un Ufficio DOE della struttura utente scienza.

“Più grandi sono i nuclei nel rivelatore, maggiore è la probabilità che i neutrini interagiscano con loro”, ha detto Lovato. “In futuro, abbiamo in programma di estendere il nostro modello ai dati provenienti da nuclei più grandi, vale a dire, quelli di ossigeno e argon, a sostegno di esperimenti pianificati in Giappone e negli Stati Uniti “

Rocco ha aggiunto che ” Per questi calcoli, ci baseremo su ancora più potenti computer ALCF, il sistema Theta esistente e la prossima macchina exascale, Aurora.”

Gli scienziati sperano che, alla fine, emergerà un quadro completo delle oscillazioni del sapore sia per i neutrini che per le loro antiparticelle, chiamate “antineutrini.”Quella conoscenza può far luce sul perché l’universo è costruito dalla materia anziché dall’antimateria—una delle domande fondamentali sull’universo.

La carta, dal titolo “Ab Initio Studio (νℓ,ℓ−) e (νℓ,ℓ+) Inclusive di Scattering in C12: Affrontare il MiniBooNE e T2K CCQE di Dati”, è pubblicato nella rivista Physical Review X. Oltre a Rocco e Lovato, autori includono J. Carlson (Los Alamos National Laboratory), S. Gandolfi (Los Alamos National Laboratory), e R. Schiavilla (Old Dominion University/Jefferson Lab).