Una nuova e significativa pietra miliare nella fisica delle particelle è stata raggiunta grazie alla collaborazione tra gli esperimenti T2K in Giappone e NOvA negli Stati Uniti. Questi due importanti progetti di ricerca sui neutrini hanno recentemente pubblicato sulla rivista Nature i risultati della loro prima analisi congiunta. Questa sinergia ha permesso di ottenere le misurazioni più accurate finora registrate riguardo le oscillazioni dei neutrini, riducendo l'incertezza sulle differenze tra le masse quadrate di queste elusive particelle a meno del 2%. Tale risultato impone rigorosi vincoli sulla violazione della simmetria CP, un concetto fondamentale per spiegare il predominio della materia sull'antimateria nell'universo.

Gli esperimenti T2K e NOvA sono entrambi dedicati allo studio delle oscillazioni dei neutrini su lunghe distanze. T2K, situato in Giappone, invia fasci di neutrini per 295 chilometri dal complesso di acceleratori J-PARC di Tokai fino al rivelatore Super-Kamiokande, una vasta cisterna di acqua ultrapura posizionata a un chilometro sotto terra a Kamioka. D'altro canto, l'esperimento NOvA (NuMI Off-axis νe Appearance) negli Stati Uniti proietta un fascio di neutrini per 810 chilometri dal Fermilab, vicino a Chicago, verso un rivelatore di 14.000 tonnellate di scintillatore liquido situato ad Ash River, in Minnesota. Queste configurazioni permettono di esplorare le variazioni di sapore dei neutrini durante il loro viaggio.

La chiave del successo di questa analisi congiunta risiede nella capacità dei due esperimenti di combinare i loro dati, sfruttando le differenze significative nelle distanze di oscillazione e nelle energie medie dei neutrini. Questo approccio complementare ha fornito una visione più completa del comportamento dei neutrini, superando i limiti che ciascun esperimento avrebbe incontrato agendo singolarmente. La fusione dei dati, che include dieci anni di osservazioni di T2K (dal 2010) e sei anni di NOvA (dal 2014), ha non solo migliorato la precisione delle misurazioni, ma ha anche favorito uno scambio di conoscenze e metodologie tra le due comunità scientifiche, arricchendo la comprensione reciproca delle rispettive apparecchiature e tecniche di analisi.

Il ruolo dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano è stato cruciale in questa impresa. Come sottolineato da Andrea Longhin, professore all’Università di Padova e associato INFN, l'INFN ha svolto un ruolo di leadership nella gestione del rivelatore vicino di T2K, in particolare con i Time Projection Chambers (TPC), strumenti essenziali per misurare l'energia e la natura delle particelle prodotte dall'interazione dei neutrini. Questa partecipazione attiva evidenzia l'importanza della collaborazione internazionale e il contributo italiano alla ricerca di frontiera nella fisica delle particelle.

I neutrini sono particelle elementari estremamente abbondanti ma difficili da rilevare. Durante la loro propagazione nello spazio, cambiano 'sapore' – da elettronico a muonico a tauonico e viceversa – un fenomeno noto come oscillazione dei neutrini. A differenza di altre particelle, ai neutrini non è associata una massa ben definita, ma piuttosto una miscela di tre possibili 'stati di massa'. Questa mescolanza è la causa delle loro oscillazioni. Un mistero centrale in questo campo è l'ordinamento delle masse di questi tre stati: esiste un ordinamento 'normale' (due stati leggeri, uno pesante) e uno 'inverso' (due pesanti, uno leggero). La comprensione di questo ordinamento e della violazione della simmetria CP – una differenza intrinseca nel comportamento tra neutrini e antineutrini – potrebbe svelare perché, dopo il Big Bang, la materia ha prevalso sull'antimateria, dando forma all'universo che conosciamo.

I risultati ottenuti dalla combinazione dei dati di NOvA e T2K non hanno ancora fornito una preferenza chiara tra l'ordinamento normale e quello inverso delle masse dei neutrini. Se l'ordinamento fosse normale, sarebbero necessari ulteriori dati per risolvere completamente la questione della simmetria CP. Al contrario, se si dimostrasse l'ordinamento inverso, i dati attuali offrirebbero una prova solida della violazione di tale simmetria. Questa ambiguità sottolinea la complessità e le sfide ancora aperte nella fisica dei neutrini, ma anche l'enorme potenziale di scoperte future.

L'analisi congiunta ha permesso di ottenere una delle misurazioni più precise della differenza di massa tra gli stati di massa dei neutrini, quantificata come Δm²₃₂. Con un'incertezza inferiore al 2%, questo nuovo valore rappresenta un punto di riferimento per confrontare i risultati di altri esperimenti e verificare l'completezza della teoria delle oscillazioni dei neutrini. In futuro, la ricerca in questo campo sarà ulteriormente potenziata da nuovi progetti. Il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), attualmente in costruzione negli Stati Uniti, e Hyper-Kamiokande, in fase di realizzazione in Giappone, mirano a rispondere alle domande irrisolte. DUNE promette una maggiore sensibilità all'ordinamento delle masse, mentre Hyper-Kamiokande si concentrerà su misurazioni ad alta statistica della violazione della simmetria CP. L'INFN continua a mantenere un ruolo trainante in entrambi questi ambiziosi progetti, consolidando la sua posizione di leader nella ricerca scientifica globale.

L'impegno dell'INFN è particolarmente evidente nel progetto Hyper-Kamiokande. L'istituto ha recentemente supervisionato la costruzione di una versione avanzata dei TPC (High-Angle TPCs) per il rivelatore vicino, già operativi e pronti a giocare un ruolo cruciale quando Hyper-Kamiokande inizierà le operazioni nel 2028. Inoltre, l'INFN è attivamente coinvolto nello sviluppo di componenti essenziali per il rivelatore lontano, inclusa l'elettronica di lettura, i rivelatori di luce multi-PMT e una parte significativa delle risorse computazionali. Questa dedizione e leadership italiane sono fondamentali per l'avanzamento della comprensione dei neutrini e dei misteri fondamentali dell'universo.