Probing eV-scale sterile neutrinos with neutrinoless double-beta decay and beta decay

I neutrini sono le particelle massive più abbondanti nell'universo, eppure rimangono tra le più elusive. Attraversano la Terra e i nostri corpi per trilioni ogni secondo, interagendo raramente con qualsiasi cosa. Per decenni, gli esperimenti hanno confermato che queste particelle possiedono una massa e che possono cambiare la propria identità, un fenomeno noto come oscillazione. Tuttavia, l'immagine completa della famiglia dei neutrini rimane incompleta. I modelli standard descrivono tre tipi di neutrini attivi, ma diverse anomalie sperimentali hanno suggerito l'esistenza di un quarto tipo, "sterile". A differenza di quelli attivi, un neutrino sterile non interagirebbe tramite la forza nucleare debole, rendendolo invisibile alla maggior parte dei rivelatori. Se una tale particella esistesse con una massa intorno a un elettronvolt, potrebbe alterare fondamentalmente la nostra comprensità della fisica delle particelle e dell'evoluzione del cosmo.

La ricerca di questa particella nascosta si basa su due metodi distinti ma complementari. Un approccio cerca un raro processo nucleare chiamato decadimento doppio beta senza neutrini, in cui due neutroni in un atomo si trasformano in due protoni e due elettroni senza emettere alcun neutrino. Questo processo avverrebbe solo se i neutrini fossero le proprie antiparticelle, una proprietà nota come essere particelle di Majorana. Il tasso di questo decadimento dipende da una specifica combinazione delle masse dei neutrini e delle loro fasi quantistiche interne. Il secondo metodo prevede misurazioni dirette del decadimento beta, in cui gli scienziati analizzano lo spettro energetico degli elettroni emessi dagli atomi in decadimento per determinare la massa totale dei neutrini coinvolti. Mentre il primo metodo è sensibile alle fasi quantistiche e alla natura delle particelle, il secondo fornisce una misurazione della scala di massa diretta e indipendente dalla fase.

I ricercatori Ruisha Yang e Jiajun Liao della Sun Yat-Sen University hanno combinato queste due linee di indagine per testare la viabilità dell'ipotesi del neutrino sterile. Si sono concentrati su uno scenario specifico in cui esiste un neutrino sterile con una massa nell'ordine dell'elettronvolt. Il loro lavoro affronta un problema critico: nel modello standard dei tre neutrini, il tasso predetto del decadimento doppio beta senza neutrini ha un valore minimo per determinate disposizioni di massa. Tuttavia, se un neutrino sterile esistesse, il suo contributo potrebbe interferire distruttivamente con i contributi dei tre neutrini noti. Questa interferenza potrebbe annullare il segnale, portando il tasso di decadimento predetto a zero e rendendo di fatto il neutrino sterile invisibile alla rilevazione tramite questo solo metodo. Gli autori hanno indagato se i vincoli indipendenti dalle misurazioni della massa del decadimento beta potessero prevenire questo annullamento, esponendo così il neutrino sterile.

Utilizzando i dati più recenti e precisi dagli esperimenti di oscillazione dei neutrini, inclusi i primi risultati del rivelatore JUNO, il team ha mappato le possibili proprietà di questa ipotetica particella sterile. Hanno calcolato le regioni consentite per la massa del neutrino sterile e la sua intensità di mescolamento con i neutrini noti. La loro analisi ha rivelato che imporre un limite superiore alla massa dei tre neutrini leggeri, come determinato dagli esperimenti di decadimento beta, stringe significativamente i vincoli sul neutrino sterile. Limitando la massa dei neutrini attivi, il limite del decadimento beta riduce la quantità di "annullamento" che il neutrino sterile può ottenere. In termini più semplici, se i neutrini noti sono troppo leggeri per fornire un segnale elevato, il neutrino sterile non può semplicemente annullarlo fino a zero; deve avere proprietà specifiche per rientrare nella rimanente stretta finestra di possibilità.

Lo studio ha scoperto che l'esito dipende fortemente dall'ordinamento delle masse dei neutrini. Nello scenario in cui le masse aumentano in una sequenza specifica, una vasta gamma di fasi quantistiche per il neutrino sterile è consentita quando la massa sterile è piccola. Tuttavia, man mano che la massa sterile aumenta, le fasi consentite si restringono, favorendo valori vicini a un punto specifico che massimizza l'interferenza distruttiva. Nell'ordinamento alternativo delle masse, i vincoli sono ancora più severi. I ricercatori hanno scoperto che, per l'ordinamento di massa invertito, il neutrino sterile deve essere abbastanza grande da annullare il segnale residuo dai neutrini attivi, ma non così grande da eccedere i limiti stabiliti dalle misurazioni del decadimento beta. Sotto le specifiche condizioni testate, inclusa una futura sensibilità progettata per le misurazioni della massa del decadimento beta, non esiste alcuna soluzione valida per l'ordinamento invertito se il limite della massa del decadimento beta viene spinto al di sotto di una certa soglia.

Un'intuizione chiave del loro lavoro riguarda la fase quantistica del neutrino sterile, una proprietà che determina come il suo contributo interferisce con gli altri. Gli autori hanno utilizzato un approccio geometrico per visualizzare questa interazione, trattando i contributi dei diversi neutrini come vettori in un piano complesso. Hanno dimostrato che, affinché il neutrino sterile annulli il segnale dei neutrini attivi, la sua fase deve allinearsi in un modo molto specifico rispetto agli altri. Man mano che il neutrino sterile diventa più pesante, l'intervallo di fasi che consente questo annullamento si restringe. Se i limiti sperimentali sul tasso di decadimento diventano più rigorosi, l'intervallo di fasi consentito diventa ancora più stretto, eliminando del tutto la possibilità di annullamento. Questa relazione geometrica fornisce una chiara spiegazione fisica del perché certe combinazioni di massa e fase siano consentite mentre altre sono proibite.

I ricercatori hanno anche esaminato come i nuovi dati dall'esperimento JUNO, che ha migliorato la precisione delle misurazioni per i neutrini noti, influenzino questi risultati. Hanno scoperto che, sebbene i dati aggiornati restringano leggermente l'incertezza nelle regioni consentite, in particolare per l'ordinamento di massa invertito, il driver principale dei nuovi vincoli è la combinazione dei due diversi metodi sperimentali. La sinergia tra i limiti del decadimento doppio beta senza neutrini e i limiti della massa del decadimento beta crea una rete molto più stretta di quella che ciascun metodo potrebbe lanciare da solo. Lo studio conclude che i futuri esperimenti capaci di misurare la massa del decadimento beta con alta precisione, come Project 8, saranno cruciali. Se questi esperimenti potranno confermare che i neutrini leggeri sono più leggeri di un certo valore, escluderanno efficacemente la possibilità che un neutrino sterile si nasconda attraverso l'interferenza distruttiva nell'ordinamento di massa invertito e restringeranno severamente lo spazio dei parametri per l'ordinamento normale.

Questo lavoro dimostra che la ricerca del neutrino sterile non consiste solo nel cercare un segnale, ma anche nel comprendere come i diversi pezzi del puzzle si incastrino tra loro. Combinando l'informazione sensibile alla fase del decadimento doppio beta con i limiti di massa indipendenti dalla fase del decadimento beta, i fisici possono testare la coerenza dell'ipotesi del neutrino sterile con un rigore senza precedenti. Le conclusioni suggeriscono che, se un neutrino sterile esiste nell'ordine dell'elettronvolt, deve possedere proprietà molto specifiche riguardo alla sua massa, intensità di mescolamento e fase quantistica. Lo studio non prova l'esistenza della particella, né la esclude definitivamente, ma fornisce una chiara tabella di marcia su come i futuri dati confermeranno la sua presenza o chiuderanno la porta su questa particolare versione della teoria. L'interazione tra questi due fronti sperimentali offre uno strumento potente per sondare la natura fondamentale della materia e i settori nascosti dell'universo.