Neutrini sempre più leggeri: KATRIN fissa un nuovo limite record alla loro massa
Roma, 11 aprile 2025 – L’esperimento internazionale KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment) del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ha segnato un nuovo record nella misura del valore della massa del neutrino, migliorando ancora una volta i suoi risultati precedenti. Gli ultimi dati, pubblicati su Science, stabiliscono, infatti, un limite superiore di 8·10-37 kg (corrispondenti a 0,45 eV/c2) per la massa dei neutrini, meno di un milionesimo del peso di un elettrone.
I neutrini sono tra le particelle più enigmatiche dell’universo. Sono onnipresenti, ma interagiscono molto raramente con la materia. In cosmologia influenzano la formazione delle galassie su larga scala, mentre in fisica delle particelle la loro massa minuscola permette di spiegare l’esistenza delle oscillazioni dei neutrini. La misurazione precisa della massa dei neutrini è essenziale per una comprensione completa delle leggi fondamentali della natura e nessuno degli esperimenti esistenti è ancora riuscito a determinarla con esattezza.
È proprio qui che entra in gioco l’esperimento KATRIN. KATRIN, la cui collaborazione scientifica internazionale conta 20 istituzioni di 7 paesi, tra cui l’Italia e l’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, è un esperimento il cui obiettivo è misurare il valore della massa dei neutrini in laboratorio con un metodo che non ammette interpretazioni dipendenti da uno specifico modello.
KATRIN utilizza il decadimento beta del trizio, un isotopo instabile dell’idrogeno: la distribuzione energetica degli elettroni risultanti dal decadimento consente una determinazione cinematica diretta della massa dei neutrini. Per raggiungere questo obiettivo sono necessari componenti tecnici molto avanzati: la linea di fascio, lunga 70 metri, ospita una sorgente intensa di trizio e uno spettrometro ad alta risoluzione con un diametro di 10 metri. Questa tecnologia all’avanguardia consente una precisione senza precedenti nelle misure dirette della massa dei neutrini.
La qualità delle prime serie di dati è andata costantemente migliorando dall’inizio delle misurazioni nel 2019. “Per questo risultato abbiamo analizzato cinque campagne di misura, per un totale di circa 250 giorni di raccolta dati dal 2019 al 2021 – circa un quarto dei dati totali attesi da KATRIN”, spiega Kathrin Valerius (KIT), una delle due responsabili dell’esperimento. Susanne Mertens (Max Planck Institute for Nuclear Physics MPIK e Technical University Munich TUM) altra co-responsabile di KATRIN aggiunge: “Con ogni campagna, abbiamo acquisito nuove conoscenze e ottimizzato ulteriormente le condizioni sperimentali”.
“Le nostre misurazioni della massa dei neutrini continueranno fino alla fine del 2025. Grazie al continuo miglioramento dell’esperimento e dell’analisi, nonché a un insieme di dati più ampio, ci aspettiamo una sensibilità ancora maggiore, e forse nuove scoperte, speriamo rivoluzionarie”, commenta Marco Carminati professore al Politecnico di Milano e ricercatore all’INFN, responsabile nazionale dell’esperimento.
KATRIN è già leader nel campo mondiale delle misurazioni dirette della massa dei neutrini e con i suoi dati iniziali ha superato di quattro volte i risultati degli esperimenti precedenti. Le ultime scoperte indicano che i neutrini sono almeno un milione di volte più leggeri degli elettroni, le particelle elementari con carica elettrica più leggere. Spiegare questa enorme differenza di massa rimane una sfida fondamentale per la fisica teorica delle particelle.
Oltre alla misurazione precisa della massa dei neutrini, KATRIN sta già pianificando la fase successiva. A partire dal 2026, verrà installato un nuovo rivelatore chiamato TRISTAN. L’INFN sta contribuendo allo sviluppo di TRISTAN negli ambiti dell’elettronica, della modellazione del rivelatore e dell’analisi dei dati. Questo aggiornamento dell’esperimento consentirà la ricerca del neutrino sterile, una particella ipotetica che interagisce in modo ancora più debole dei neutrini conosciuti. Con una massa nell’ordine dei keV/c², i neutrini sterili sono potenziali candidati per spiegare la materia oscura.
