Effects of RG running in breaking $\mu-\tau$ reflection symmetry, conventional versus minimal seesaw

I neutrini sono le particelle massive più abbondanti nell'universo, eppure rimangono le più elusive. Queste particelle fantasma attraversano tutto, dal cuore del sole al centro della Terra, interagendo raramente con la materia ordinaria. Per decenni, i fisici hanno cercato di capire perché abbiano una massa e come cambino la propria identità durante il viaggio. Questo fenomeno, noto come oscillazione, avviene perché i neutrini esistono in tre "sapori" distinti — elettronico, muonico e tau — e possono trasformarsi l'uno nell'altro. Il modo in cui questi sapori si mescolano è descritto da una mappa matematica chiamata matrice PMNS. Esperimenti recenti hanno rivelato un modello sorprendente in questo mescolamento: il sapore muonico e quello tau sembrano comportarsi quasi in modo identico, e l'angolo che descrive il loro mescolamento appare essere esattamente a metà strada tra due estremi. Questa osservazione ha portato gli scienziati a proporre una specifica regola che governa la natura, chiamata simmetria di riflessione mu-tau. Questa regola prevede che il mescolamento debba essere perfetto e che una specifica proprietà, la fase di violazione della CP, che distingue la materia dall'antimateria, debba assumere un valore preciso. Tuttavia, il mondo reale è raramente perfetto. Le misurazioni attuali mostrano piccole ma significative deviazioni da queste previsioni ideali, suggerendo che la simmetria sia rotta. La grande domanda è: perché è rotta? È perché la simmetria non è mai stata perfetta fin dallamente l'inizio, o perché qualcosa è accaduto ad essa mentre l'universo si raffreddava dopo il Big Bang?

Un team di ricercatori dell'Università di Dibrugarh, in India, ha esaminato questo problema da una nuova prospettiva, simulando come le proprietà dei neutrini evolvano nel tempo. Si sono concentrati su uno scenario in cui la simmetria era perfetta ai livelli di energia altissimi che esistevano nell'universo primordiale, e poi è decaduta man mano che l'energia diminuiva verso i livelli che vediamo oggi. Per farlo, hanno utilizzato uno strumento teorico chiamato gruppo di rinormalizzazione, che agisce come una macchina del tempo per le equazioni della fisica, permettendo agli scienziati di calcolare come le proprietà delle particelle cambino al variare della scala di energia dalla nascita dell'universo fino al presente. I ricercatori hanno confrontato due diverse teorie su come i neutrini acquisiscano la loro massa. La prima è il modello standard "seesaw di Tipo-I", che assume l'esistenza di tre particelle pesanti e invisibili per generare le minuscole masse dei leggeri neutrini che osserviamo. La seconda è il modello "minimal seesaw", una versione più economica che assume l'esistenza di solo due di queste particelle pesanti. In questo modello più semplice, la matematica impone che uno dei tre neutrini leggeri abbia massa nulla, una caratteristica che riduce drasticamente il numero di variabili libere con cui gli scienziati devono lavorare.

I ricercatori si sono posti l'obiettivo di vedere se questo modello ridotto all'essenziale, il minimal model, potesse ancora riprodurre i dati disordinati e imperfetti che misuriamo nei laboratori odierni. Hanno iniziato la loro simulazione a una scala di alta energia di 10 alla quattordicesima potenza GeV, un punto in cui la simmetria di riflessione mu-tau era assunta come esatta. Da lì, hanno lasciato che le equazioni scendessero alla scala di energia del quark top, che è circa 172 GeV, imitando il raffreddamento dell'universo. Hanno testato due diversi scenari per la fase di violazione della CP e due diversi arrangiamenti delle masse dei neutrini, noti come ordinamento normale e invertito. In ogni caso, hanno scoperto che il modello minimale funzionava. Anche con un neutrino costretto ad avere massa nulla e la simmetria che partiva perfetta, l'evoluzione naturale delle equazioni ha generato con successo le piccole deviazioni osservate negli esperimenti reali. La simulazione ha dimostrato che, al diminuire della scala di energia, le correzioni quantistiche hanno gradualmente allontanato gli angoli di mescolamento e le fasi dai loro valori perfetti, portando ai numeri specifici osservati da esperimenti come T2K e NOvA. Ciò ha confermato che un universo più semplice con meno particelle pesanti è comunque capace di spiegare il complesso comportamento dei neutrini che vediamo oggi.

Avendo stabilito che il modello minimale funziona, il team si è posto una domanda più profonda: questo universo più semplice si comporta diversamente da quello standard durante la sua evoluzione? Hanno confrontato l'evoluzione delle differenze di massa tra i due modelli per vedere se la riduzione delle particelle pesanti avesse lasciato un'impronta rilevabile. Hanno scoperto che la risposta dipende fortemente da quale differenza di massa viene osservata. La differenza di massa tra i primi due tipi di neutrini, nota come differenza di massa al quadrato solare, ha mostrato una chiara sensità al modello sottostante. In molte delle loro simulazioni, il percorso intrapreso da questo valore nel modello minimale divergeva sensibilmente dal percorso intrapreso nel modello standard, specialmente quando l'energia era elevata. Ciò suggerisce che, se potessimo misurare questo valore con estrema precisione ad energie molto alte, potremmo essere in grado di dire se la natura abbia scelto la versione a tre particelle o quella a due particelle del meccanismo seesaw.

Al contrario, la differenza di massa che coinvolge il terzo neutrino, la differenza di massa al quadrato atmosferica, si è rivelata molto più ostinata. In quasi tutti gli scenari testati dai ricercatori, questo valore si è evoluto in modo quasi identico, indipendentemente dal fatto che l'universo avesse due o tre particelle pesanti. I due modelli producevano risultati quasi identici per questa specifica misurazione, rendendola uno strumento scarso per distinguere tra le due teorie. I ricercatori hanno anche scoperto che la scelta della fase di violazione della CP all'inizio della simulazione era importante. In una configurazione, le differenze tra i due modelli erano piuttosto grandi, mentre in un'altra erano così piccole da essere quasi trascurabili. Inoltre, la dimensione della differenza tra i due modelli spesso diminuiva all'aumentare della scala di rottura della supersimmetria assunta, il che significa che a soglie di energia più elevate, le due teorie iniziavano a somigliarsi di più.

Lo studio conclude che, sebbene il modello minimal seesaw sia una spiegazione perfettamente valida per i dati sui neutrini, non è del tutto indistinguibile dal modello standard. La rottura radiativa della simmetria lascia una traccia sottile ma misurabile, particolarmente nella differenza di massa solare. Questa scoperta è significativa perché suggerisce che la storia di come le masse dei neutrini si siano evolute trasporta informazioni sulla struttura fondamentale dell'universo. Anche se il modello minimale utilizza meno ingredienti, non si limita a mimare il modello standard; segue una traiettoria leggermente diversa attraverso le scale di energia. Ciò implica che misurazioni future, più precise, delle proprietà dei neutrini potrebbero potenzialmente rivelare se la natura preferisca la soluzione più economica a due particelle o la versione più complessa a tre particelle, offrendo uno sguardo raro sulla fisica ad alta energia che ha plasmato l'universo primordiale.