Microscopio a neutrini “spella” il neutrone

Schema del processo di diffusione coerente di neutrini. Crediti: M. Cadeddu e C. Giusti

Un gruppo italo-cinese di ricercatori, guidato da Matteo Cadeddu dell’Università e Infn di Cagliari e Carlo Giunti dell’Infn di Torino, ha utilizzato per la prima volta quello che potrebbe essere definito come un vero e proprio microscopio a neutrini per indagare la disposizione dei neutroni all’interno del nucleo atomico.

In un articolo in via di pubblicazione su Physical Review Letters gli scienziati spiegano come, grazie alla più sfuggente delle particelle elementari – il neutrino per l’appunto, che interagisce così poco con la materia da poter trapassare la Terra da parte a parte senza mai scontrarsi con un’altra particella – si sia potuto misurare per la prima volta il raggio della distribuzione dei neutroni nei nuclei di cesio e iodio.

«Finora non avevamo un modo per misurare il raggio della distribuzione di tutti i neutroni in un nucleo in maniera affidabile, come avviene invece per i protoni», commenta Cadeddu a Media Inaf. «Con la nostra ricerca abbiamo mostrato che utilizzando i neutrini è possibile fare una “fotografia” anche alla distribuzione dei neutroni all’interno dei nuclei».

Matteo Cadeddu

Una cosa mai vista. Proprio grazie alla loro carica elettrica, i ricercatori conoscono molti dettagli di come i protoni siano disposti spazialmente all’interno dei nuclei. Ma sulla distribuzione dei neutroni, invece, si sa sorprendentemente poco o niente, proprio perché le tecniche di analisi basate sull’utilizzo di particelle cariche – come gli elettroni – non funzionano, mentre altre tecniche più speculative risultano molto dipendenti dal modello teorico di partenza adottato.

«In generale, i nuclei pesanti possiedono un numero di neutroni maggiore rispetto a quello di protoni, perché la forza forte che tiene uniti i nucleoni (protoni e neutroni) agisce a corto raggio, quindi solo tra nucleoni adiacenti», spiega Giunti. «I protoni invece, essendo anche carichi positivamente, tendono a manifestare una forza di repulsione quando si trovano vicini tra loro. Per evitare che il nucleo si disgreghi è necessario che alcuni neutroni distanzino i protoni gli uni dagli altri, in modo che la repulsione elettrostatica venga compensata dall’aumento di interazione forte che si viene a creare tra i protoni ed i neutroni».

Schema esemplificativo della cosiddetta “pelle dei neutroni”. Crediti: M. Cadeddu e C. Giunti

Questo eccesso di neutroni può determinare una zona esterna dei nuclei costituita da soli neutroni, come se fosse una sorta di coperta. In questo caso, il raggio della distribuzione dei neutroni sarà più grande di quella che compete ai protoni.

«Noi definiamo questa grandezza “pelle dei neutroni”. Purtroppo il nome è un po’ infelice perché fa pensare che sia una proprietà dei singoli neutroni e non, come invece è, dell’intero nucleo», specifica Cadeddu.

Il nuovo studio si è basato su un esperimento condotto in precedenza allo Spallation Neutron Source, un acceleratore dell’Oak Ridge National Laboratory, negli Stati uniti, utilizzando la diffusione coerente dei neutrini con i nuclei interi (Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering), nella quale i neutrini interagiscono con un nucleo atomico nel suo complesso e non con i singoli protoni o neutroni che lo compongono.

Tale processo, in cui i neutrini interagiscono maggiormente con i neutroni e meno con i protoni, è stato predetto teoricamente più di 40 anni fa, ma osservato sperimentalmente solo lo scorso anno dalla collaborazione internazionale Coherent, guadagnandosi la copertina di Science.

La copertina di Science del 15 settembre 2017 dedicata alla prima evidenza sperimentale della diffusione coerente di neutrini

Grazie all’analisi statistica di questi dati sperimentali, gli autori del nuovo studio sono riusciti ad estrarre il raggio della distribuzione dei neutroni di cesio e di iodio, mostrando per la prima volta che tale raggio è pari a circa 5.5 femtometri (5.5 milionesimi di miliardesimo di metro).

In altre parole, se immaginiamo il nucleo atomico come un agglomerato di due tipi di “sferette” – i protoni, con carica elettrica positiva, e i neutroni, con carica elettrica complessivamente neutra –, possiamo dire che il nuovo studio ha verificato che i neutroni “sporgono” dal nucleo un po’ di più rispetto ai protoni.

«Il risultato – che apre di fatto un filone di ricerca nuovo, ancora da esplorare – è in qualche modo inatteso, in quanto il valore del raggio della distribuzione dei neutroni del cesio, e la cosiddetta “pelle dei neutroni” (la differenza tra il raggio della distribuzione dei neutroni e dei protoni), sono sensibilmente maggiori rispetto a quello previsto dalla maggior parte dei modelli teorici attuali, sebbene le incertezze siano ancora relativamente grandi trattandosi della prima osservazione in assoluto», dice Giunti. «Questo potrebbe essere un’indicazione del fatto che i neutroni non si comportano esattamente come previsto, dal momento che gli stessi modelli teorici sono invece precisissimi quando si tratta di predire le stesse grandezze relativamente ai protoni, per i quali abbiamo moltissime misure sperimentali».

La nuova ricerca, secondo gli autori, ha implicazioni nella comprensione dei modelli nucleari con ripercussioni in moltissimi campi dalla fisica, che vanno dalla fisica degli ioni pesanti, come quella studiata al Cern di Ginevra, fino all’astrofisica.

«Il fatto di aver trovato un valore più grande del raggio dei neutroni di nuclei pesanti come il cesio, ci permette di avere alcune informazioni su quale sarà il raggio di una stella di neutroni», spiega ancora Cadeddu. «Infatti, esistono alcune relazioni dirette tra il raggio dei neutroni dei nuclei pesanti con il raggio di una stella di neutroni. Gli interferometri Ligo e Virgo hanno recentemente fatto l’osservazione della fusione di due stelle di neutroni, fornendoci anche un’indicazione sulle dimensioni delle stelle di neutroni. Combinando questa informazione con la nostra, si può ottenere un quadro più completo anche della fisica delle stelle di neutroni».

Carlo Giunti

Un ulteriore risvolto del nuovo studio risiede nel fatto che il processo utilizzato in laboratorio avviene normalmente in natura. Questo può causare problemi alla ricerca della particella che più elusiva non ce n’è: la materia oscura.

«La diffusione coerente di neutrini non rappresenta solamente una via per sondare i nuclei ma costituisce, purtroppo, anche un rumore di fondo ineliminabile per la ricerca diretta della materia oscura», conferma Giunti. «Infatti, i candidati più promettenti di materia oscura sono le cosiddette wimp, che hanno il problema di interagire con i nuclei in maniera teoricamente simile alla diffusione coerente dei neutrini. Capire a fondo questa reazione permetterà di distinguere nei rivelatori futuri tra un evento vero di materia oscura o uno dovuto all’interazione dei neutrini. Senza questa conoscenza dettagliata si arriverà ad un punto in cui non saremo in grado di dire con certezza se abbiamo osservato la materia oscura o meno».

Per saperne di più:

  • Leggi l’anteprima dell’articolo in pubblicazione su Physical Review Letters “Average CsI neutron density distribution from COHERENT data”, di M. Cadeddu, C. Giunti, Y.F. Li e Y.Y. Zhang

Fonte: Microscopio a neutrini “spella” il neutrone

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