La massa del neutrino nelle osservabili cosmologiche

RICERCANDO ALL’ESTERO – Qualche giorno fa c’è stato grande fermento nel mondo dell’astronomia neutrinica per la scoperta di una possibile sorgente di un neutrino cosmico (ne abbiamo parlato qui).

Martina Gerbino si occupa di fisica del neutrino attraverso dati cosmologici. Le osservazioni cosmologiche sembrano, oggi, la strada più privilegiata per risolvere la spinosa questione della massa dei neutrini. Secondo il modello standard delle particelle, infatti, i neutrini dovrebbero essere particelle prive di massa mentre le osservazioni suggeriscono che siano particelle massive, sebbene il valore di questa massa non sia noto.
All’Università di Stoccolma, Gerbino studia i neutrini e la loro massa attraverso due particolari osservabili cosmologiche: la radiazione cosmica di fondo a microonde e la distribuzione di materia a larga scala.

Che tipo di informazioni sulle proprietà dei neutrini si possono ricavare attraverso le osservabili cosmologiche?

Il neutrino è una delle particelle più elusive nel modello di fisica delle particelle, osservarne le proprietà è complicato perché interagisce pochissimo con la materia e sperimentalmente è una cosa molto difficile da vedere.

Esistono diverse tecniche per misurare la massa dei neutrini, alcune più standard di laboratorio e altre che provengono da osservazioni cosmologiche. Con le osservabili cosmologiche non riusciamo a osservare i neutrini in maniera diretta ma possiamo tracciare le modifiche che il neutrino apporta alle osservabili stesse. Riuscire a misurare la massa dei neutrini permetterebbe anche di rispondere a domande più profonde su cosa genera questa massa, da dove proviene o quali sono i modelli che spiegano in maniera più dettagliata la fisica nel neutrino.

Nella mia ricerca analizzo i modelli teorici fisico-matematici usati per studiare l’Universo che ci circonda, attraverso dati di cosmologia osservativa. La combinazione delle informazioni ricavate dalla radiazione cosmica di fondo e dalla distribuzione della materia a larga scala possono aprire la strada alla misura delle proprietà dei neutrini, in particolare della loro massa.

Che tipo di effetti hanno i neutrini sulla radiazione cosmica di fondo?

La radiazione cosmica di fondo (CMB) è la luce primordiale che si è generata all’epoca del Big Bang e ha viaggiato liberamente fino ai giorni nostri spostandosi verso frequenze a microonde. La CMB è l’osservabile cosmologica più antica a cui abbiamo accesso e ci permette di studiare le proprietà dell’Universo qualche istante dopo la sua stessa formazione.

La mia ricerca si occupa delle proprietà statistiche delle mappe del cielo a microonde. In pratica si tratta di prendere vari punti sulla mappa, posti a una certa distanza tra loro, di vedere come questi sono correlati tra di loro e di costruire funzioni di correlazione a due punti o spettri di potenza.
Le mappe vengono costruite attraverso le osservazioni di grandi telescopi terrestri, di piccoli telescopi montati su palloni oppure di satelliti. Al loro interno, per diverse posizioni del cielo, vengono riportate la potenza osservata, cioè l’intensità che proviene da un certo punto, e tutta una serie di altre proprietà. La forma esatta delle mappe è regolata sia dalla fisica dell’Universo primordiale (in cui la radiazione di fondo cosmico è stata generata) sia dalla fisica dell’Universo più recente (attraverso cui la radiazione si è propagata ed è arrivata fino a noi). Tra le varie componenti c’è anche la fisica neutrino tanto che le proprietà specifiche dei neutrini possono modificare o plasmare in maniera diversa le mappe a microonde che osserviamo.

Esistono dei modelli teorici in grado di predire la forma delle mappe, gli spettri o in generale le proprietà statistiche; confrontando i risultati delle predizioni con i dati sperimentali cerchiamo di capire se e quanto bene i modelli riescono a spiegare le osservabili.

Qual è il modello migliore per descrivere le osservabili?

Grazie al satellite Planck c’è stato un avanzamento notevole nelle ricerche e siamo riusciti a raccogliere informazioni sulla fisica della radiazione di fondo cosmico con un’accuratezza finora mai raggiunta. I risultati finali di Planck sulla CMB sono stati pubblicati la scorsa settimana.

Abbiamo determinato che il modello cosmologico standard, il lambda CDM, è tuttora il modello migliore per descrivere in maniera semplice ed economica, cioè con il minor numero di parametri cosmologici possibile, le osservabili a nostra disposizione. È sicuramente un grande risultato, perché abbiamo davvero un modello in grado di spiegare la fisica di miliardi di anni fa. Forse avremmo desiderato osservare qualche deviazione, qualche indizio sulla presenza di qualcosa di nuovo e inatteso da comprendere meglio e su cui arrovellarci nei prossimi anni.

E per quanto riguarda la struttura della materia a larga scala?

Per la distribuzione di materia ci sono diversi traccianti che possiamo osservare. Nel corso dell’evoluzione dell’Universo la materia può collassare e formare delle strutture che vivono su scale diverse, come la nostra galassia o ammassi di galassie o gruppi di ammassi di galassie o nubi di idrogeno neutro. Osservare la distribuzione di queste strutture a diverse distanze e in diverse posizioni nel cielo può fornire informazioni sulla fase iniziale della vita dell’Universo e sulla sua evoluzione nel corso del tempo.

Le osservazioni sempre più precise e le tecnologie sempre più avanzate ci hanno permesso di osservare strutture a distanze sempre più grandi da noi, e quindi volumi di Universo sempre più grandi. Tutte queste informazioni hanno permesso di testare i modelli fisico-matematici a nostra disposizione e confrontare i risultati predittivi con quelli osservativi.
Abbiamo testato proprietà leggermente diverse da quelle della radiazione cosmica a microonde e, combinando i risultati ottenuti da queste due osservabili, possiamo comprendere in maniera più profonda la fisica che regola l’evoluzione dell’Universo.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Innanzitutto testare la stabilità dei modelli teorici ritenuti finora validi. Inoltre, vogliamo cercare di rispondere a domande che sono lì da tantissimo tempo, per esempio qual è la natura dell’energia oscura e della materia oscura. Ci sono ancora molte informazioni da estrarre dalle osservabili cosmologiche ed è questo il motivo per cui si stanno costruendo telescopi sempre più sensibili, per ottenere dati sempre più accurati.

Nome: Martina Gerbino
Età: 30 anni
Nata a: Alatri (Frosinone)
Vivo a: Stoccolma (Svezia)
Dottorato: fisica (Roma)
Ricerca: Sinergie tra diverse osservabili cosmologiche
Istituto: Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics, Stockholm University (Svezia)
Interessi: leggere (narrativa), camminare nella natura, viaggiare, mangiare
Di Stoccolma mi piace: la natura, è una città immersa nell’acqua e nel verde; è molto efficiente
Di Stoccolma non mi piace: il buio e il mese di novembre.
Pensiero: We choose to go to the Moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard. (J. F. Kennedy, Rice Stadium, 12 settembre 1962)

Segui Luisa Alessio su Twitter

Leggi anche: L’Universo dopo il Big Bang

Pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia.