Neutrinii sunt cele mai fascinante particule din cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare. Particule foarte greu de măsurat, ar putea ascunde încă multe secrete. Un experiment instalat la marele accelerator de particule LHC de la CERN – FASER – a reușit să măsoare neutrini muonici identificând procesele generate de aceștia cu ajutorul unor emulsii fotografice.

Neutrinii

Neutrinii sunt particule care fac parte din Modelul Standard al fizicii particulelor elementare, din așa-numita familie a leptonilor. Există trei tipuri de neutrini: cei electronici, cei muonici și neutrinii tau. Știm că neutrinii au masă – deoarece s-au măsurat procese de oscilație a neutrinilor (adică transformarea unui neutrin de un tip într-un neutrin de alt tip), procese de natură cuantică care pot avea loc doar dacă neutrinii au masă, însă nu știm cât este aceasta. Știm doar că este foarte mică și până în prezent s-a reușit doar să se pună limite asupra posibilei mase. Neutrinii interacționează foarte slab cu materia (doar prin așa-numita interacțiune nucleară slabă); din acest motiv neutrinii pot străbate cantități enorme de materie fără să interacționeze, deci fără să lase urme. Ca și cum materia ar fi transparentă! Chiar în acest moment, în care citiți acest articol, corpul nostru a fost străbătut de miliarde și miliarde de neutrini care nu au lăsat urme.

Surse de neutrini și experimente

Mare parte din neutrinii care ajung până la noi provin din procesele nucleare care au loc în Soare. Reacțiile nucleare care au loc acolo generează multe miliarde de miliarde de neutrini; parte din aceștia ajung până la noi. Alte surse de neutrini sunt reactoarele nucleare și procesele nucleare (de dezintegrare) care au loc în interiorul Pământului. Mai sunt pe urmă neutrinii care iau naștere în urma exploziilor supernovelor sau cei generați de interacțiuni ale razelor cosmice (în mare parte protoni) cu moleculele (nucleele atomilor) din atmosfera terestră. Mai multe experimente studiază sau au studiat acești neutrini; printre acestea se numără Super-Kamiokande (în Japonia), MiniBooNE (Fermilab) sau IceCube la Polul Sud. Aceste experimente măsoară neutrini cu energii mari sau mai mici, regiunea de energii medii rămânând oarecum nestudiată (din lipsa de surse de neutrini cu aceste energii).

Neutrinii măsurați de FASER

În acest context un rezultat foarte recent prezentat la conferința 57th Rencontres de Moriond, Italia, în martie 2023, arată cum experimentul FASER (Forward Search Experiment) de la acceleratorul LHC de la CERN a măsurat neutrini muonici provenind de la LHC. În 2021 experimentul prezentase primele semnale ale unei posibile măsurători de neutrini – doar că aceștia erau foarte puțini la număr (6) și semnificația statistică a rezultatului (cea care ne spune cât de siguri suntem de ceea ce am văzut) era mică. Noul rezultat are o semnificație statistică importantă (16 sigma), atât de importantă încât nu lasă dubii cum că au fost măsurați neutrini muonici. FASER a reușit acest lucru prin „fotografierea” proceselor generate de neutrini în emulsii fotografice; neutrinii interacționau cu nuclee de plumb sau wolfram din plăci realizate din aceste materiale care erau intercalate cu emulsii fotografice. Au fost măsurate și câteva procese care ar putea fi generate de neutrini electronici – însă semnificația statistică nu era la fel de mare.

La ce folosește?

Neutrinii măsurați de FASER au luat naștere în ciocnirile dintre protonii de energie foarte mare de la acceleratorul LHC de la CERN. Acești neutrini au energii relativ mari, dar nu atât de mari precum cei generați în procese cosmice. Măsurarea unor neutrini în regiunea de energie intermediară, care până în prezent nu a fost studiată, este importantă, întrucât ne ajută să îmbunătățim modelele teoretice care ne spun cum interacționează neutrinii în funcție de energie cu materia. Experimente ulterioare vor confirma (sau nu) această teorie. Dacă teoria nu se confirmă acest lucru ar putea fi datorat unei teorii dincolo de Modelul Standard, o nouă teorie care să ne ajute să înțelegem mai bine Universul și compoziția acestuia. Rezultatele ar putea contribui (indirect) și la optimizarea experimentelor care să ne permită să măsurăm masa neutrinilor, încă necunoscută, una dintre problemele actualului Model Standard (care cu mare greutate include neutrini care au masă).

Credit imagine: CERN, FASER

Rubrică realizată 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, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe