Commenti più importanti: Un esperimento in Cina può determinare l'ordinamento di massa dei neutrini

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I neutrini sono particelle spettrali prive di carica, al massimo con pochissima massa, e viaggiano a velocità prossime a quella della luce. Interagiscono con altre particelle solo attraverso la forza nucleare debole, che può trasformare un neutrone in un protone, espellendo un elettrone, o (per un antineutrone) trasformare un protone in un neutrone, espellendo un positrone (antielettrone). Poiché la forza debole è così debole, tali eventi accadono raramente, quindi osservare queste particelle è piuttosto difficile. Trilioni di neutrini attraversano il tuo corpo ogni secondo, ma non lo sapresti mai perché pochissimi interagiscono effettivamente con i nuclei del tuo corpo.

Esistono tre tipi conosciuti di neutrini, ciascuno legato a particelle simili agli elettroni. L'elettrone ha il neutrino elettronico; il muone più pesante ha il neutrino muonico; e una particella tau molto più pesante ha il neutrino tau. Una scoperta riguardante questi vari neutrini è che ogni neutrino si interconverte negli altri tipi mentre si propaga nello spazio. Il fatto che i neutrini non siano statici mentre si muovono significa che non si muovono alla velocità della luce (ma a una velocità leggermente inferiore), il che a sua volta significa che hanno massa. Una domanda naturale da porsi, quindi, è: quali sono le varie masse dei neutrini conosciuti? E se non è possibile misurare effettivamente queste masse, è almeno possibile determinare quale sia l'ordinamento delle masse?

Un esperimento che dovrebbe essere messo online a breve in Cina spera di rispondere a questa domanda, se non di rispondere in modo definitivo. L'esperimento consiste in una sfera acrilica di 35 metri di diametro, da riempire con una soluzione organica che emette un lampo di luce (scintilla) quando avviene un evento nucleare. Una serie di 43.000 tubi fotomoltiplicatori circonderà la sfera per rilevare tali eventi. Ci sono 8 reattori nucleari a 53 chilometri da questa sfera che producono un flusso costante di antineutrini elettronici. Gli scienziati misureranno quanti di questi antineutrini elettronici non si sono convertiti in uno degli altri tipi durante il loro viaggio dal reattore al rivelatore. (Il rivelatore è cieco ai neutrini muonici e tau.)

Qui è dove le cose diventano un po' confuse. I teorici hanno stabilito che esistono tre stati di massa del neutrino, che chiamano m1, m2 e m3. È naturale supporre immediatamente che ciascuna di queste tre masse corrisponda alla massa di uno dei tre tipi di neutrini, ma in realtà la massa afferma di non essere correlata ai tipi di neutrini reali in modo biunivoco. Ciascuno dei tipi di neutrini è infatti una sovrapposizione quantomeccanica dei tre stati di massa. È già stato stabilito che m2 è maggiore di m1. La domanda che rimane è se m3 è più pesante di m2 (il cosiddetto “ordinamento normale”) o più leggero di m1 (“ordinamento invertito”).

Quando un antineutrino elettronico non convertito arriva al rivelatore e interagisce con un protone, convertirà il protone in un neutrone e rilascerà un positrone energetico. Quel positrone produrrà un lampo visto dal rilevatore. Ma anche il prodotto dei neutroni verrà eventualmente assorbito da un nucleo, che produrrà un secondo lampo circa 200 millisecondi dopo. Questa sequenza di due lampi (unita all'essere molto sottoterra e quindi schermati dalla Terra stessa) permetterà di distinguere un evento indotto da un antineutrino proveniente dai reattori da uno addirittura prodotto da un raggio cosmico casuale. Lo schema di quanti antineutrini elettronici sopravvivono al loro viaggio determinerà se l’ordinamento dello spettro di massa è normale o invertito.