L'oscillazione del neutrino è un fenomeno quantistico in cui un neutrino di un certo sapore (neutrino elettronico, neutrino muonico o neutrino tauonico) ha una certa probabilità di assumere un sapore diverso mentre si propaga nello spazio.
Previsto per la prima volta da Bruno Pontecorvo nel 1957 come oscillazione neutrino-antineutrino, e successivamente in termini di oscillazioni di sapore da Maki, Nakagawa e Sakata, questo fenomeno è stato oggetto di un'intensa campagna di ricerche a partire dagli anni '70.
L'oscillazione dei neutrini è di grande interesse teorico e sperimentale. La loro scoperta comporta che il neutrino ha massa non nulla, condizione che richiede l'introduzione di nuove particelle nel modello standard della fisica delle particelle.Inoltre possono far luce su diverse proprietà del neutrino e spiegare alcune anomalie sperimentali quali ad esempio il cosiddetto problema dei neutrini solari, messo in luce negli anni '70 dall'esperimento Homestake. Possono anche fornire indicazioni sul problema dell'asimmetria materia-antimateria nell'Universo.
La scoperta delle oscillazioni, avvenuta da parte degli esperimenti Super-Kamiokande e Sudbury Neutrino Observatory (SNO), è stata premiata con il Premio Nobel per la fisica nel 2015. Gli esperimenti Super-Kamiokande, Kamland, SNO, Daya Bay e T2K sono inoltre stati premiati con il Breakthrough Prize del 2016.
Ricerche sperimentali Ci occuperemo solo di oscillazioni a tre neutrini (le generazioni di neutrini del modello standard sono esattamente tre, come è stato misurato al Large Electron-Positron Collider del CERN), evitando di discutere le ricerche di neutrini sterili (che richiedono un numero maggiore di generazioni di neutrini).
La formula di oscillazione a due neutrini nel vuoto, è sufficiente a spiegare gli aspetti fondamentali delle oscillazioni e quantifica la probabilità che un neutrino di sapore si trasformi in un neutrino di sapore diverso da :
dove i,j sono gli indici degli autostati di massa (), è un angolo di mescolamento, è la differenza dei quadrati delle masse dei due neutrini, è la distanza su cui si misura l'oscillazione, E è l'energia dei neutrini. Corrisponde quindi alla formula di un'onda con ampiezza e fase . La costante 1,27 è necessaria se si vogliono misurare rispettivamente.
Di questi parametri, e sono proprietà del neutrino, mentre ed sono due parametri sperimentali che dipendono dalle condizioni in cui avviene l'oscillazione. Si noti che la propagazione dell'oscillazione dipende dal rapporto e non da ed singolarmente. È molto importante sottolineare che se i neutrini fossero a massa nulla, le oscillazioni non potrebbero avvenire (il termine sarebbe nullo, per cui la probabilità avrebbe un'ampiezza nulla ()). La formula a due neutrini è comunque approssimata perché i neutrini coinvolti sono tre e le oscillazioni possono avvenire nella materia, per cui vengono modificate dagli effetti di materia (effetto Micheev-Smirnov-Wolfenstein) come discusso nella sezione Teoria.
Complessivamente le oscillazioni a tre neutrini sono caratterizzate da sei parametri:
Tre angoli () che governano il mescolamento fra stati di massa e sapore Due differenze dei quadrati delle masse ( e , dove ) Una fase () responsabile dell'asimmetria fra materia e antimateria (violazione della simmetria CP) nelle oscillazioni I parametri aggiornati di oscillazione sono riportati nel Particle Data Book, alla sezione Neutrino Mixing.
La scoperta delle oscillazioni: neutrini atmosferici La scoperta delle oscillazioni è avvenuta nel 1998 da parte dell'esperimento Super-Kamiokande, che ha misurato le oscillazioni dei neutrini atmosferici. È stata premiata con il premio Nobel per la fisica 2015 a Takaaki Kajita (responsabile delle ricerche di oscillazione dei neutrini atmosferici dell'esperimento), con la motivazione «per la scoperta delle oscillazioni del neutrino che dimostrano che il neutrino ha massa». L'importanza di dimostrare che il neutrino ha massa sta nel fatto che nel modello standard delle particelle elementari non c'è modo di dare massa ai neutrini senza introdurre particelle non descritte dal modello stesso, per cui si tratta della prima dimostrazione sperimentale dell'esistenza di fisica oltre il modello standard (Beyond the Standard Model, BSM). Super-Kamiokande si trova nella miniera di Kamioka (vicino alla città di Hida, Giappone). Consiste in una struttura cilindrica di di altezza e di diametro contenente di acqua ultrapura. Il segnale rivelato è la radiazione Čerenkov generata dalle particelle cariche in acqua, che viene raccolta da tubi fotomoltiplicatori di di diametro.
I neutrini atmosferici sono prodotti dall'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera terrestre, generando un flusso uniforme su tutto il pianeta. Per ogni angolo zenitale selezionato dall'esperimento, in assenza di oscillazioni, ci si aspetta un flusso identico di neutrini provenienti dall'alto e dal basso.
Questi due flussi si sviluppano però su distanze molto diverse: brevi per quelli dall'alto (pari all'altezza media dell'atmosfera) e molto maggiori per quelli dal basso (altezza atmosferica più distanza percorsa attraverso la Terra). Confrontando il flusso di neutrini di un dato sapore (elettronico o muonico) da direzioni opposte, si può rilevare un'eventuale oscillazione: senza oscillazioni i flussi dovrebbero coincidere perfettamente. Questo metodo consente di misurare le oscillazioni in modo quasi indipendente dalla stima del flusso assoluto di neutrini, che richiede complessi modelli teorici.
Nella stessa conferenza in cui Super-Kamiokande annunciò la scoperta (Neutrino 1998 a Takayama, Giappone), altri quattro esperimenti presentarono ricerche di oscillazione che risultarono nulle o incomplete: l'esperimento Chooz che misurava gli antineutrini elettronici () ai reattori aveva misurato un'assenza di oscillazioni. Chooz era sensibile alle oscillazioni agli stessi di Super-Kamiokande, il suo segnale nullo dimostrava che le oscillazioni non avvenivano fra i neutrini elettronici e quelli muonici , per cui le oscillazioni di Super-Kamiokande dovevano avvenire fra neutrini muonici e quelli tauonici , in accordo con i dati stessi di Super-Kamiokande. Gli esperimenti Chorus e Nomad al CERN erano sensibili alle oscillazioni fra e , ma non ai di Super-Kamiokande (avevano un rapporto L/E completamente diverso), e riportarono un risultato nullo. L'esperimento MACRO ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso misurava anch'esso i neutrini atmosferici, e fu in grado di riportare l'indicazione di un segnale di oscillazione, ma non al livello statistico necessario per poter dichiarare una scoperta.
Presente e futuro dei neutrini atmosferici L'esperimento Super-Kamiokande è tuttora in presa dati, e ha continuamente migliorato l'analisi degli eventi e aumentato la statistica, raffinando la precisione di misura dei parametri atmosferici (θ23 e Δm223) oltre a indicazioni su altri parametri di oscillazione (δCP).
È in costruzione il rivelatore Hyper-Kamiokande, principalmente dedicato ai neutrini da acceleratore, che attraverso la misura dei neutrini atmosferici potrà migliorare la sensibilità delle misure di molti parametri di oscillazione (vedi esperimenti Long-Baseline di quarta generazione).
L'IceCube Neutrino Observatory (o semplicemente IceCube) è un telescopio di neutrini costruito nell'Amundsen–Scott South Pole Station in Antartide. Le sue migliaia di sensori (fotomoltiplicatori) sono installate sotto al ghiaccio dell'Antartide, a una profondità di 1 450 m e distribuiti su più di un chilometro cubo. I fotomoltiplicatori misurano la produzione di luce Čerenkov delle particelle cariche che attraversano il ghiaccio. IceCube è primariamente dedicato alla rivelazione di neutrini astrofisici di alta energia, ha per esempio fornito la prima osservazione multi-messenger di neutrini generati dalla fusione di stelle di neutroni, ma ha comunque fornito importanti misure di oscillazione di neutrini atmosferici. Si prevede che con ulteriori miglioramenti dell'analisi, ulteriore statistica accumulata e i futuri upgrade (IceCube è in presa dati dal dicembre 2010, sono previsti ulteriori upgrade del rivelatore: IceCube-Gen2), IceCube potrà misurare anche la gerarchia di massa dei neutrini (ovvero se è più leggero o più pesante di e ).
KM3NeT è un'infrastruttura di ricerca che ospiterà due telescopi di neutrini nel Mar Mediterraneo. ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) sarà specializzato nella osservazione di neutrini astrofisici di alta energia, ed è in costruzione al largo di Capo Passero, in Sicilia, alla profondità di 3 500 m. ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) sarà specializzato nella misura dei neutrini atmosferici, in particolare della gerarchia di massa. ORCA è in costruzione al largo di Tolone, Francia, alla profondità di 2 500 m. I due telescopi utilizzeranno la stessa tecnologia: la rivelazione di luce Čerenkov in acqua, attraverso l'utilizzo di fotomoltiplicatori. ORCA ha già installato il 21% dei rivelatori, ARCA il 44% del primo dei due blocchi del rivelatore.
Le prospettive di nuove scoperte negli esperimenti futuri su oscillazioni di neutrini atmosferici sono quindi molto promettenti.
Le oscillazioni dei neutrini solari
Il Sole emette una grande quantità di neutrini elettronici () attraverso i suoi processi di fusione (il flusso misurato a terra è di circa neutrini/cm2/s), con energia fino a circa 15 MeV.
Un primo esperimento pioneristico, l'esperimento Homestake, condotto da Raymond Davis, aveva cominciato a misurare con metodi radio-chimici il flusso dei neutrini solari fin dalla fine degli anni '60, riportando la prima misura sperimentale dei neutrini solari. Misura premiata con il premio Nobel per la fisica del 2002, in condivisione con Masatoshi Koshiba, spokesperson dell'esperimento Kamiokande, per "contributi pionieristici all'astrofisica, in particolare per la rivelazione di neutrini cosmici". Il flusso misurato da Homestake era circa un terzo del flusso previsto dai modelli solari, ma non fu mai considerato un'evidenza decisiva di oscillazione perché era appunto il confronto fra una misura sperimentale e un modello teorico.
Il risultato di Homestake fu confermato, e molto migliorato, da altri due esperimenti radio-chimici negli anni '90: Gallex/GNO ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso e SAGE in Russia. L'esperimento Kamiokande, il progenitore di Super-Kamiokande, fu il primo esperimento in grado di misurare in tempo reale i neutrini solari (gli esperimenti radio-chimici integrano nel tempo i segnali di neutrini) e di misurarne la direzione, dimostrando che i neutrini provenivano proprio dal Sole. I risultati di Homestake, Gallex/GNO, Sage e Kamiokande, anche combinati assieme, non furono mai considerati sufficienti per dimostrare l'oscillazione dei neutrini solari. Questo principalmente per due motivi: l'evidenza di oscillazione era comunque legata a un confronto dei dati sperimentali con modelli teorici, e comunque la misura dei parametri di oscillazione solari (θ12 e Δm212) non era univoca: varie soluzioni erano possibili nello spazio dei parametri.