Maggio 21, 2024 a 9: 00 am
I neutrini sono noti per gli affari divertenti. Ora gli scienziati hanno fissato un nuovo limite su un tratto quantistico responsabile della stranezza delle particelle subatomiche: l’incertezza.
Le particelle leggere si trasformano da una varietà di neutrino all’altra mentre viaggiano, uno strano fenomeno chiamato oscillazione del neutrino (SN: 10/6/15). Questa capacità si basa sull’incertezza quantistica, una sorta di confusione intrinseca alle proprietà degli oggetti quantistici, come la loro posizione o quantità di moto. Ma nonostante l’importanza dell’incertezza quantistica, l’incertezza nella posizione del neutrino non è mai stata misurata direttamente.
“Le ‘proprietà quantistiche del neutrino’ sono un po’ il selvaggio West al momento”, dice il fisico nucleare Kyle Leach della Colorado School of Mines di Golden. “Stiamo ancora cercando di capirlo”.
È impossibile sapere tutto su una particella quantistica. Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma notoriamente che è inutile tentare di determinare con precisione sia la quantità di moto di un oggetto quantistico che la sua posizione (SN: 1/12/22). Ora, Leach e colleghi riportano nuovi dettagli sulla dimensione del pacchetto d’onda del neutrino, che indica l’incertezza nella posizione della particella.
Le particelle quantistiche viaggiano come onde, con increspature che sono correlate alla probabilità di trovare una particella in una data posizione. Un pacchetto d’onda è l’insieme delle increspature corrispondenti a una singola particella. Il nuovo esperimento stabilisce un limite alla dimensione del pacchetto d’onda per i neutrini prodotti in un particolare tipo di decadimento radioattivo, riferisce il team di Leach in un articolo presentato dal 3 al arXiv.org. Le particelle hanno una dimensione del pacchetto d’onda di almeno 6,2 trilionesimi di metro.
I ricercatori hanno studiato i neutrini prodotti nel decadimento del berillio-7, attraverso un processo chiamato cattura elettronica. In questo processo, un nucleo di berillio-7 assorbe un elettrone e l’atomo si trasforma in litio-7 e sputa fuori un neutrino.
Il team ha impiantato atomi di berillio-7 in un dispositivo altamente sensibile costituito da cinque strati di materiale, tra cui il tantalio superconduttore, in grado di trasmettere elettricità senza resistenza. Nel decadimento, il litio-7 appena prodotto si allontana dal neutrino. Quando raffreddato a 0,1 gradi sopra lo zero assoluto (-273,05 ° Celsius), il dispositivo ha permesso ai ricercatori di rilevare l’energia di quel rinculo. La diffusione dell’energia degli atomi di litio ha rivelato la dimensione minima del pacchetto d’onda del neutrino.
I neutrini sono speciali in quanto interagiscono così raramente con la materia che mantengono le loro proprietà quantistiche su lunghe distanze. La maggior parte degli effetti quantistici avviene su scale molto piccole, ma le oscillazioni dei neutrini si verificano su migliaia di chilometri.
Quindi studiare le dimensioni dei pacchetti d’onda dei neutrini potrebbe aiutare a svelare la connessione tra il mondo quotidiano della fisica classica e la stranezza della fisica quantistica, dice Benjamin Jones, un fisico dei neutrini dell’Università del Texas ad Arlington, che non è stato coinvolto nell’esperimento. “Se si può prevedere qualcosa del genere e poi misurarlo, allora si convalidano davvero alcune delle idee che le persone hanno su come il mondo classico emerge da una realtà quantistica sottostante”, dice. “E questo è ciò che mi ha davvero entusiasmato in primo luogo”.
In un altro studio, presentato dal 30 al arXiv.org aprile, Jones e i suoi colleghi hanno teoricamente previsto la dimensione del pacchetto d’onda del neutrino, fissandolo a circa 2,7 miliardesimi di metro. Ora tocca ai fisici sperimentali cercare di misurarlo, non solo determinare la sua dimensione minima.
Misurare la dimensione dei pacchetti d’onda dei neutrini potrebbe aiutare a risolvere le discrepanze tra gli esperimenti passati e potenzialmente indicare la strada a nuovi tipi di particelle subatomiche ancora da scoprire. Ma la dimensione del pacchetto d’onda del neutrino dipende da come viene prodotta la particella. Quindi non è chiaro come il limite di dimensione osservato nello studio di Leach possa tradursi in neutrini prodotti con altri mezzi, dice il fisico dei neutrini Carlos Argüelles dell’Università di Harvard. Ad esempio, molti esperimenti osservano neutrini provenienti da reattori nucleari, ma questi sono prodotti tramite un diverso tipo di decadimento radioattivo.
Tuttavia, dice Argüelles, “lo studio del pacchetto d’onda del neutrino ha implicazioni fondamentali nella quanticità del neutrino, e la quanticità del neutrino è in realtà ciò che rende i neutrini interessanti. È la proprietà più unica che hanno”.
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Una versione di questo articolo è apparsa nel numero del 15 giugno 2024 di Science News.
Citazioni
J. Smolsky et al. Vincoli sperimentali diretti sull’estensione spaziale di un pacchetto d’onda di neutrini. arXiv:2404.03102. Presentato il 3 aprile 2024.
B.J.P. Jones, E. Marzec e J. Spitz. La larghezza di un pacchetto d’onda di neutrini a cattura di elettroni. arXiv:2404.19746. Presentato il 30 aprile 2024.