Probing the nucleon axial form factor via the $\vec{e}^{\,+} + {}^2\text{H} \rightarrow \bar{\nu}_e + p + p$ reaction below the pion-production threshold

I neutrini sono particelle spettrali che sfrecciano attraverso l'universo, fermandosi raramente per interagire con qualsiasi cosa. Quando collidono con la materia, spesso lo fanno scambiando una carica, un processo noto come interazione a corrente carica. Per comprendere queste collisioni, gli scienziati si affidano a una mappa matematica chiamata fattore di forma assiale. Questa mappa descrive come la struttura interna di un protone o di un neutrone cambi quando viene colpito da un neutrino. Sebbene gli scienziati conoscano il valore di questa mappa in un singolo punto specifico con grande precisione, la forma della mappa alle basse energie rimane una regione sfocata e incerta. Questa incertezza è un problema maggiore per esperimenti massicci come DUNE, che mirano a studiare come i neutrini cambino la propria identità mentre viaggiano per lunghe distanze. Se la mappa è errata, la capacità dell'intero esperimento di misurare le proprietà fondamentali dell'universo è compromessa.

Per decenni, gli scienziati hanno cercato di definire questa regione sfocata utilizzando fasci di neutrini, ma i risultati sono stati incoerenti e difficili da interpretare. Un nuovo studio teorico suggerisce una strada diversa, che ribalta il problema. Invece di sparare neutrini contro un bersaglio, i ricercatori propongono di utilizzare un fascio di positroni — i gemelli antimateria degli elettroni — catturati da un semplice nucleo di deuterio. Il deuterio è una versione pesante dell'idrogeno, composta da un solo protone e un solo neutrone legati insieme. Quando un positrone polarizzato colpisce questo nucleo, si trasforma in un antineutrino e scaglia i due protoni lontani. Misurando attentamente l'energia e gli angoli di questi protoni in volo, gli scienziati possono ricostruire i dettagli dell'interazione con una chiarezza che gli esperimenti sui neutrini non possono raggiungere.

I ricercatori, guidati da un team della Jagiellonian University in Polonia, hanno costruito un sofisticato modello informatico per simulare questo processo. Hanno utilizzato un quadro che rispetta le leggi della relatività, garantendo che i loro calcoli rimangano validi anche ad alte velocità. Prima di applicare il loro modello allo scenario dei positroni, hanno testato il modello contro dati reali provenienti da esperimenti di scattering elettronico. Il modello si è dimostrato altamente accurato, riproducendo con successo i complessi schemi di come gli elettroni rimbalzano sui nuclei di deuterio. Questa validazione ha dato fiducia al team nel prevedere cosa accadrebbe quando i positroni, invece degli elettroni, vengono utilizzati come sonda.

I loro calcoli si sono concentrati su un intervallo di energia specifico, al di sotto della soglia in cui la collisione creerebbe dei pioni, ovvero particelle instabili che sporcherebbero i dati. Hanno scoperto che a un'energia del positrone di 130 milioni di elettronvolt, la reazione produce un segnale pulito. Il team ha poi simulato come i risultati cambierebbero se la mappa sottostante della struttura del protone fosse leggermente diversa. Hanno scoperto che la reazione è incredibilmente sensibile a questi cambiamenti. Nella regione in cui le incertezze degli attuali esperimenti sui neutrini sono alte quanto il 100 percento, questo nuovo metodo potrebbe ridurre il margine di errore a solo pochi percenti. La sensibilità è così alta che anche piccole variazioni nella mappa teorica causerebbero spostamenti percettibili nel numero di protoni rilevati e negli angoli in cui volano.

Lo studio ha affrontato anche le realtà pratiche della costruzione di un simile esperimento. I ricercatori hanno calcolato come il rilevamento dei due protoni sarebbe influenzato dai limiti dei detector reali. Se un detector non riesce a vedere protoni che si muovono molto lentamente, perderebbe una parte significativa degli eventi, poiché i due protoni sono sempre prodotti in coppia. Se uno è troppo lento per essere visto, anche l'altro viene perso dal set di dati. Tuttavia, il team ha dimostrato che con un detector capace di vedere protoni con energie anche di 10 milioni di elettronvolt e coprendo un ampio intervallo di angoli, l'esperimento rimarrebbe robusto. Hanno concluso che il prossimo aggiornamento del fascio di positroni presso il Jefferson Lab in Virginia fornirebbe l'ambiente perfetto per eseguire questa misurazione.

Questo lavoro non pretende di aver risolto il mistero del fattore di forma assiale, ma offre una via chiara e percorribile per farlo. Simulando la reazione con alta precisione, gli autori hanno dimostrato che un esperimento di cattura dei positroni potrebbe fornire i dati definitivi necessari per affinare la nostra comprensione della struttura del protone. Ciò non solo risolverebbe le incoerenze di lunga data nella fisica dei neutrini, ma fornirebbe anche un parametro cruciale per testare le previsioni della cromodinamica quantistica su reticolo, un metodo utilizzato per calcolare le proprietà della materia partendo dai primi principi. Il documento suggerisce che gli strumenti per compiere questo salto sono già alla portata, in attesa che vengano soddisfatte le giuste condizioni sperimentali.