În vânătoarea neutrinilor sterili, cei care ar interacţiona doar prin gravitaţie cu materia şi deci cu ceilalţi neutrini, a fost obţinut un nou succes: experimentele MINOS+ şi Daya Bay au pus limitele cele mai stringente asupra existenţei acestui tip de neutrini până în prezent.

Netrinii sunt particule elementare care fac parte din Modelul Standard al fizicii particulelor; nu au sarcină electrică, interacţionează doar slab cu materia şi se găsesc sub trei forme diferite: neutrini electronici, muonici şi tauonici. Neutrinii pot străbate cantităţi enorme de materie, întreaga planetă de exemplu, fără a interacţiona cu materia. Din acest motiv pentru studiul lor este nevoie de detectoare enorme care să conţină o cantitate de materie pe cât de mare posibilă. Se ştie la ora actuală ca neutrinii au masă, aceasta este foarte mică şi până în prezent nu s-a reuşit măsurarea ei. Neutrinii suferă un proces cuantic extrem de interesant: aşa-numita oscilaţie – adică se transformă dintr-un tip de neutrini în alt tip pe măsură ce se propagă; astfel, un neutrin care pleacă în călătoria lui ca neutrin muonic poate ajunge la un detector ca neutrin electronic sau tauonic. Măsurarea acestei oscilaţii dă informaţii extrem de importante asupra neutrinilor. Experimente din trecut, precum LSND de la Los Alamos National Laboratory şi MiniBooNE de la Fermilab ajunseseră la concluzia că este ceva bizar în oscilaţia neutrinilor: un exces de neutrini de tip electronic care ar fi luat naştere prin oscilaţia neutrinilor muonici. Pentru a explica acest exces, dar şi din alte motive, cercetătorii au propus existenţa aşa-numiţilor neutrini sterili; aceştia interacţionează cu celelalte particule doar prin interacţiune gravitaţională iar neutrinii cunoscuţi s-ar putea transforma în neutrini sterili şi invers explicând anomaliile observate.

Două noi experimente au efectuat măsurători cu mare precizie de oscilaţii de neutrini; este vorba despre MINOS+ şi Daya Bay. MINOS+ măsoară dispariţia neutrinilor de tip muonic produşi la Fermilab după ce aceştia se propagă 735 km sub pământ cu ajutorul unui detector de particule în Minesotta. Daya Bay foloseşte 8 detectoare în China pentru a măsura dispariţia neutrinilor de tip electronic emişi de către şase reactoare nucleare.

Cele două experimente şi-au unit forţele pentru a căuta neutrinii sterili însă… nu au găsit nimic. Rezultatele obţinute au fost recent publicate într-un articol în revista Physical Review Letters. Chiar dacă nu au găsit urme ale neutrinilor sterili cele două colaborări au reuşit să pună noi limite asupra posibilei existenţe ale acestei misterioase particule. Se pare deci că anomaliile observate de LSND şi MiniBooNE nu sunt datorate neutrinilor sterili; s-ar putea să fie vorba de erori experimentale sau de fenomene noi care încă nu le-am descoperit.

Noile limite puse asupra neutrinilor sterili sunt importante din mai multe puncte de vedere. Acest tip de particulă, dacă există, ar putea face parte din categoria materiei întunecate care, se pare, domină în Univers şi determină modul în care se formează şi evoluează galaxiile. Materia întunecată ar putea fi alcătuită dintr-o serie de particule, precum materia normală, printre acestea numărându-se deci şi neutrinul steril care, în funcţie de masă, ar putea contribui mai mult sau mai puţin la „greutatea” materiei întunecate din Univers.

Având la bază noile limite impuse asupra existenţei neutrinilor sterili, cele două experimente, dar şi altele, vor continua vânătoarea în această junglă a particulelor elementare unde neutrinii sterili s-ar putea încă ascunde.

Studiul neutrinilor este extrem de interesant şi important: dintre particulele care fac parte din Modelul Standard sunt poate cele mai interesante şi ne-ar putea îndruma spre descifrarea multor mistere, inclusiv cele care au de-a face cu Universul întunecat.

[Articol scris de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesor la Colegiului Naţional “Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe]

Foto: Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory