Una discrepanza nella massa dei neutrini potrebbe scuotere le fondamenta della cosmologia

A mano a mano che l'universo giovanile si raffreddava sotto l'attrazione gravitazionale, la materia si annodava in galassie, ammassi di galassie e filamenti, intrecciando una rete cosmica straordinariamente intricata. La struttura di questa rete è in parte dovuta all'opera dei neutrini: particelle subatomiche leggere che si riversano nel cosmo in numeri inimmaginabili.

Dato che si muovono ad alta velocità e raramente interagiscono con altre forme di materia, queste particelle non erano facilmente intrappolate nella melassa gravitazionale di quell'impalcatura. La loro presenza ha spazzato via le ragnatele, ostacolando la formazione di dettagli fini in questo filigrana cosmico.

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Le masse dei neutrini sono inferiori a un milionesimo rispetto alla particella più leggera successiva, l'elettrone, ma nessuno sa esattamente quanto siano massicci. Sono l'unico tipo conosciuto di particelle subatomiche fondamentali per cui questa proprietà di base è sconosciuta, e alcuni ricercatori sospettano che questa mancanza di conoscenza potrebbe essere una via d'accesso a una nuova comprensione della fisica.

"I neutrini sono una delle particelle chiave che non comprendiamo quanto le altre, ma che hanno tuttavia profonde conseguenze cosmologiche", dice il cosmologo delle particelle Miguel Escudero del laboratorio europeo di fisica delle particelle CERN vicino a Ginevra.

Il ruolo preponderante delle piccole particelle nello scolpire l'universo significa che esse colmano il divario tra il mondo subatomico, di solito studiato negli acceleratori di particelle o nei laboratori di fisica, e quello cosmologico individuato scrutando i cieli. Quindi gli scienziati stanno utilizzando sia osservazioni dello spazio che esperimenti a terra nel tentativo di risolvere questo enorme mistero.

Ma se chiedi a un cosmologo quanto pesino i neutrini e poni la stessa domanda a un fisico delle particelle, potresti ottenere due risposte diverse. I metodidi valutazione del peso di queste masse dei due gruppi stanno mostrando segni di disconnessione.

I recenti dati cosmologici raccolti dall'Istrumento Spettroscopico per l'energia oscura, o DESI, favoriscono masse che sono sorprendentemente piccole e si avvicinano a un conflitto con quelle degli esperimenti di fisica delle particelle. Infatti, alcune interpretazioni dei dati DESI suggeriscono che i neutrini non hanno massa o addirittura una massa negativa, di norma un concetto vietato in fisica.

Il risultato bizzarro sta portando i fisici a considerare alcune idee seducenti: che le masse dei neutrini possano cambiare nel corso della storia dell'universo, o che le apparenti masse negative siano un'illusione causata dall'energia oscura, il misterioso fenomeno che fa espandere l'universo ad una velocità accelerata.

DESI, situato presso l'Osservatorio Nazionale di Kitt Peak in Arizona, raccoglie mappe dettagliate di galassie e altri oggeti. Ad aprile, gli scienziati di DESI hanno fatto scalpore suggerendo che la densità dell'energia oscura potrebbe cambiare nel corso della storia dell'universo. L'eccentricità dei neutrini è stata soppiantata. Ma dai mesi successivi, i fisici hanno realizzato che DESI potrebbe avere grandi implicazioni anche per i neutrini.

Tuttavia, alcuni scienziati pensano che la discrepanza nella massa dei neutrini non sia un evento cosmico sconvolgente. Piuttosto, potrebbe derivare da dettagli astrusi su come vengono analizzati i dati cosmologici.

Ma se l'effetto si conferma, potrebbe suggerire un cambiamento massiccio. "Penso che la nostra descrizione dell'universo sia troppo semplice", dice la cosmologa Eleonora Di Valentino dell'Università di Sheffield in Inghilterra. "Ora che abbiamo misurazioni molto forti e molto sensibili... è tempo di complicarla un po'".

I neutrini sono presenti in tre varianti: neutrini dell'elettrone, neutrini del muone e neutrini del tau. Per complicare ulteriormente le cose, ogni tipo non ha una massa definita ma trasporta una miscela quantistica di tre masse diverse.

Oggi, il triumvirato permea il cosmo con centinaia di milioni di neutrini per metro cubo, superando i protoni di un fattore di circa un miliardo. Nell'universo primordiale, le particelle erano ancora più densamente impaccate.

Anche se i neutrini sono estremamente leggeri, la forza è nel numero. Le particelle hanno mosso il loro peso nel cosmo per miliardi di anni, incidendo indelebilmente il cielo notturno con la loro presenza. Essi fittavano non solo la normale materia visibile che costituisce stelle e altri oggetti spaziali, ma anche la materia oscura, una fonte di massa scarsamente compresa che ingrossa le galassie nell'universo.

Il numero combinato dei neutrini è stato sufficiente non solo a modificare la rete cosmica, ma anche ad influenzare il tasso di espansione dell'universo. Questi due fattori consentono agli scienziati di valutare le masse dei neutrini scrutando lo spazio. Massi di neutrini più ingombranti avrebbero comportato un'espansione più rapida dell'universo e un cosmo meno fitto di masse dei neutrini più piccole.

DESI mappa le strutture cosmiche per determinare il tasso di espansione, attraverso un effetto noto come oscillazioni acustiche dei barioni, onde sonore che hanno impresso pattern circolari nell'universo molto giovane. Tracciando quei pattern in diversi punti della storia dell'universo, gli scienziati possono seguire la sua crescita, un po' come gli anelli degli alberi cosmici.

Nel frattempo, lo sfondo cosmico a microonde, la luce rilasciata 380.000 anni dopo il Big Bang, rivela la disomogeneità del cosmo. Mentre la luce proveniente dallo sfondo cosmico a microonde attraversa lo spazio, il suo percorso è piegato dalle tasche di materia nel suo viaggio, molto simile alla luce che passa attraverso una lente. La quantità di questi effetti di lente gravitazionale dice agli scienziati quanto disomogeneo sia il cosmo.

Combinando le misurazioni della disomogeneità dallo sfondo cosmico a microonde e il tasso di espansione da DESI - due cose che i neutrini influenzano - permette agli scienziati di concentrarsi sulla loro massa.

I dati di DESI, in combinazione con i dati sullo sfondo cosmico a microonde del satellite Planck dell'Agenzia Spaziale Europea, forniscono un tetto di massa per i neutrini. In particolare, la somma delle tre masse dei neutrini è inferiore a circa 0,07 electron volt al 95 percento di livello di confidenza, hanno riferito i ricercatori online nel mese di aprile su arXiv.org. (Un electron volt è un'unità che i fisici usano per quantificare la massa. La massa di un elettrone è di circa 511.000 electron volt.)

Oltre a un tetto di massa per i neutrini, c'è anche un pavimento, basato su esperimenti di fisica delle particelle in laboratorio. Questi esperimenti misurano un fenomeno chiamato oscillazioni dei neutrini, che derivano dal fatto che ciascun tipo di neutrino è una miscela quantistica di masse diverse. La mescolanza delle masse significa che i neutrini possono cambiare da una variante all'altra mentre viaggiano. Quello che inizia come un neutrino muone potrebbe più tardi essere rilevato come un neutrino elettronico.

I rivelatori di neutrini possono individuare questo cambiamento di forma. Poiché le oscillazioni dipendono dalla relazione tra le diverse masse dei neutrini, questi esperimenti non possono misurare direttamente le masse stesse. Ma indicano che la somma delle tre masse dei neutrini deve essere maggiore di circa 0,06 electron volt.

Ciò significa che il rifiuto di DESI delle masse dei neutrini superiori a circa 0,07 electron volt è inquietantemente vicino ad escludere l'intera gamma di masse consentite dagli esperimenti di oscillazione. Il pavimento e il soffitto sono quasi a contatto.

C'è ancora un po' di margine - uno spazio ristretto, forse - per le masse dei neutrini di vivere in armonia con la cosmologia e gli esperimenti di oscillazione. Ma il risultato di DESI è sorprendente per altri motivi. Per uno, il valore che DESI individua come più probabile per la somma delle masse dei neutrini è zero - nessuna massa del tutto.

Inoltre, quando ai dati di DESI e Planck vengono aggiunti dati cosmologici aggiuntivi, come cataloghi di stelle in esplosione che valutano anche il tasso di espansione dell'universo, il limite superiore della massa si riduce ulteriormente, a meno di 0,05 electron volt, hanno riportato Di Valentino e colleghi il 25 luglio su arXiv.org. Lo spazio ristretto è essenzialmente eliminato, lasciando le masse dei neutrini in un purgatorio difficile da spiegare senza proporre nuove idee sul cosmo.

"Se si prende tutto alla lettera, che è un'enorme avvertenza..., è chiaro che abbiamo bisogno di una nuova fisica", dice la cosmologa Sunny Vagnozzi dell'Università di Trento in Italia, un'altra autrice del paper.

Anche senza l'aggiunta dei dati sulle supernove, il risultato di DESI, se preso sul serio, risolverebbe una domanda importante: Quale neutrino è il più pesante? Le tre masse dei neutrini sono etichettate piuttosto in modo poco creativo con i numeri 1, 2 e 3. In uno scenario possibile chiamato ordinamento normale, la massa 3 è più pesante delle masse 1 e 2. In quello che viene chiamato ordinamento invertito, le masse 1 e 2 sono più pesanti della 3. Un altro modo di esprimere il problema: Ci sono due masse dei neutrini relativamente leggere e una leggermente più pesante o due pesanti e una leggera?

Se l'ordinamento invertito è corretto, gli esperimenti di oscillazione implicano che la somma delle masse dei neutrini sarebbe superiore a 0,1 electron volt. DESI riducendo le masse dei neutrini a meno di 0,07 volt non solo lascia poco spazio all'ordinamento normale, ma sembra essenzialmente escludere l'ordinamento invertito.

"Ecco perché tutti stanno esagerando", dice la cosmologa Licia Verde dell'Università di Barcellona, membro della collaborazione DESI.

Scartare l'ordinamento invertito sarebbe un grande problema, con ripercussioni su una serie di teorie ed esperimenti. L'ordinamento è così importante che gli scienziati hanno progettato un enorme esperimento: il Jiangmen Underground Neutrino Observatory in Cina, previsto per iniziare quest'anno, mirato a misurarlo. Ma i fisici delle particelle non stanno cancellando i loro piani, e nessuno sta stappando bottiglie di champagne per celebrare la scomparsa dell'ordinamento invertito.

Il motivo è che il tetto di massa di DESI ha superato le aspettative. "Era troppo buono", dice il cosmologo Daniel Green dell'Università della California, San Diego.

Dato l'ammontare di dati raccolti da DESI, gli scienziati avrebbero previsto un limite superiore che fosse più del doppio, fissando la massa a meno di circa 0,18 elettronvolt, dice, lasciando viva e vegeta la possibilità dell'ordinamento invertito. In effetti, DESI non avrebbe dovuto essere in grado di escludere l'ordinamento invertito - se l'ordinamento invertito fosse errato - fino a quando non avesse raccolto dati per diversi anni.

Ciò ha reso i fisici sospettosi che ci sia qualcos'altro in gioco.

Se gli scienziati prendono sul serio la preferenza di DESI per una massa di neutrini pari a zero, ci sono alcuni modi per spiegarlo, nonostante i neutrini nel laboratorio abbiano indiscutibilmente una massa. Neutrini potrebbero decadere in altre particelle o annichilirsi reciprocamente, suggeriscono Green e colleghi in un articolo accettato dal Journal of High Energy Physics. Oppure, forse le masse dei neutrini variano nel tempo.

Ma c'è addirittura una possibilità più bizzarra della massa zero: la massa negativa. Green sospettava che "tutto questo comportamento strano fosse perché i dati stavano effettivamente andando nella direzione sbagliata. [I dati] stavano vedendo l' 'opposto' di un neutrino". Ovvero, un neutrino con massa negativa.

Mentre i neutrini con massa positiva rendono l'universo meno denso, DESI e Planck potrebbero trovare l'opposto, un universo più denso del previsto, il che significa che ha una variazione nella densità della materia da un luogo all'altro maggiore di quanto previsto. Questo potrebbe essere concettualizzato da un neutrino bizzarro con massa negativa.

Nell'analisi di DESI, gli scienziati non hanno consentito alla massa del neutrino di diventare negativa. Forse DESI si è fermato a zero solo perché non poteva andare più in basso.

Quindi Green e colleghi hanno regolato l'analisi per consentire masse negative. I ricercatori hanno riportato -0,16 elettronvolt.

Altri hanno trovato un sostegno simile per le masse negative dei neutrini. È "una cosa piuttosto folle da dire", dice il cosmologo Willem Elbers dell'Università di Durham in Inghilterra. Le masse negative in fisica sono difficili da definire e incorporare nelle teorie, causando tutti i tipi di conflitti nelle equazioni. "In realtà non pensiamo che la massa del neutrino sia negativa", dice Elbers. Invece, "è un sintomo di un qualche problema nei dati o nelle ipotesi che facciamo sull'evoluzione dell'universo".

La massa negativa potrebbe essere un miraggio dell'energia oscura, suggeriscono Elbers e colleghi. La visione standard dell'universo assume che l'energia oscura abbia una densità costante, ciò che è noto come costante cosmologica. Mentre i dati di DESI suggeriscono che l'energia oscura sia dinamica - che la sua densità cambi nel tempo - il numero di massa del neutrino di DESI è stato determinato assumendo una costante cosmologica.

Permettendo all'energia oscura dinamica risolve il problema della massa del neutrino, hanno riportato Elbers e colleghi online il 15 luglio su arXiv.org. "In realtà sposta il valore più probabile da qualcosa di negativo e non fisico a qualcosa che è esattamente corretto", dice Elbers: 0,06 elettronvolt.

Ma non tutta l'energia oscura dinamica è uguale. I modelli più semplici di energia oscura dinamica, come quello usato da DESI e da Elbers e colleghi, consentono all'energia oscura di diventare "fantasma", una situazione inaspettata, teoricamente. Nelle teorie preferite dagli scienziati, la densità dell'energia oscura resta costante o si diluisce man mano che lo spazio si espande. Con un'energia oscura fantasma, la densità invece aumenta. Quel tipo di energia oscura è considerata meno plausibile - è difficile da spiegare all'interno delle teorie standard della fisica.

Utilizzare un modello in cui la variazione dell'energia oscura è vietata di diventare fantasma in realtà ha reso peggio il mismatch della massa del neutrino, hanno riportato Vagnozzi, Di Valentino e colleghi nel loro articolo.

Ciò lascia agli scienziati nessuna spiegazione cosmologica vincente su perché le masse dei neutrini siano più piccole del previsto.

Al posto di ripensare all'universo, alcuni scienziati stanno rivedendo i dati.

Alcuni ricercatori sospettano che sottili problemi nei dati del fondo cosmico a microonde possano influenzare le cose. In particolare, si sa che i dati di Planck mostrano un eccesso inaspettato di lenti gravitazionali, quella curvatura della luce del fondo cosmico a microonde che aiuta gli scienziati a dedurre le masse dei neutrini.

Un maggior numero di lenti gravitazionali è anche ciò che ci si aspetta dai neutrini con masse negative. In realtà, tentativi precedenti di stimare le masse dei neutrini utilizzando i dati di Planck combinati con un predecessore di DESI hanno prodotto stime inaspettatamente basse. Forse Planck è il problema.

Una versione aggiornata dei dati di Planck, utilizzando metodi diversi per mappare il fondo cosmico a microonde, riduce questa eccessiva lente gravitazionale.

Un'analisi basata su questi dati di Planck aggiornati, e rimovendo due punti dati anomali di DESI, ha eliminato le prove per masse negative di neutrini, come riportato da Escudero e colleghi online il 18 luglio su arXiv.org Dato ciò, Escudero afferma: "sembra prematuro concludere che ci sia una tensione tra il valore minimo delle masse dei neutrini che conosciamo dal laboratorio e la mancanza di rilevamento delle masse dei neutrini in cosmologia." Ma, nota, l'analisi ancora non ha trovato prove di una massa positiva per i neutrini. Le misurazioni cosmologiche della massa del neutrino si basano su una varietà di osservazioni, e dipendono dalla correttezza della teoria degli scienziati dell'universo. Se c'è un anello mancante in qualsiasi punto, ciò rende i calcoli delle masse dei neutrini poco affidabili. Quindi, in futuro, gli scienziati sperano di misurare direttamente la massa del neutrino, sulla Terra. L'esperimento KATRIN a Karlsruhe, in Germania, cerca l'influenza delle masse dei neutrini sui decadimenti radioattivi del trizio, una forma pesante di idrogeno (SN: 21/04/21). Quando il nucleo del trizio decade, emette un antineutrino (il gemello antimateria di un neutrino) e un elettrone. KATRIN mira a rilevare l'effetto delle masse degli antineutrini sulle energie degli elettroni rilasciati nel decadimento. Ma, mentre gli esperimenti come questo potrebbero teoricamente misurare la massa del neutrino, i loro risultati non sono quasi precisi come quelli della cosmologia. La somma delle masse dei neutrini deve essere inferiore a 1,35 elettronvolt al 90 percento di livello di confidenza, hanno riferito i ricercatori di KATRIN online a giugno su arXiv.org. Questo è un limite molto più debole rispetto a quello che la cosmologia pone sulla massa. Quindi, anche se gli esperimenti diretti sono considerati più affidabili, non stanno davvero dicendo agli scienziati molto che non sapevano già. Futuri esperimenti diretti potrebbero concentrarsi ulteriormente sulla massa dei neutrini, ma se le masse dei neutrini sono così piccole come pensano i cosmologi, ci vorranno seri progressi tecnologici. Tuttavia, la possibilità di comprendere meglio alcune delle particelle più misteriose del cosmo è allettante. "Trovo particolarmente interessante che guardando in alto verso il cielo si possa capire qualcosa su una particella così leggera, piccola e subatomica," dice Verde. E se gli scienziati riescono a trovare un accordo tra i neutrini sulla Terra e nello spazio, avranno una maggiore fiducia nella correttezza della loro teoria dell'universo, dice Verde. "Se si può costruire un quadro dove tutto si tiene insieme, combinando entrambi gli esperimenti che guardano direttamente all'infinitamente piccolo e quelli che si occupano di cose molto grandi, offre anche un supporto al quadro stesso." Domande o commenti su questo articolo? Scrivici a [email protected] | Reprints FAQ N. Craig et al. No νs is good news. Journal of High Energy Physics. In corso di pubblicazione, 2024. J.-Q. Jiang et al. Cosmologia dei neutrini dopo DESI: limiti superiori di massa più stretti, preferenza per l'ordinamento normale e tensione con le osservazioni terrestri. arXiv:2407.18047. Inviato il 25 luglio 2024. D. Naredo-Tuero et al. Vivere sul filo: un'occhiata critica al limite della massa cosmologica dei neutrino. arXiv:2407.13831. Inviato il 18 luglio 2024. W. Elbers et al. Masse negative dei neutrini come miraggio dell'energia oscura. arXiv:2407.10965. Inviato il 15 luglio 2024. Collaborazione DESI. DESI 2024 VI: Vincoli cosmologici dalle misurazioni delle oscillazioni acustiche di barioni. arXiv:2404.03002. Inviato il 3 aprile 2024. La scrittrice di fisica Emily Conover ha un dottorato in fisica dall'Università di Chicago. È stata due volte vincitrice del premio Newsbrief della D.C. Science Writers’ Association. Siamo in un momento critico e sostenere il giornalismo climatico è più importante che mai. Science News e la nostra organizzazione madre, la Society for Science, hanno bisogno del tuo aiuto per rafforzare la cultura ambientale e garantire che la nostra risposta al cambiamento climatico sia informata dalla scienza. Per favore sottoscrivi Science News e aggiungi $16 per espandere la cultura scientifica e la comprensione.