I fisici sanno da molto tempo che le particelle cariche come gli elettroni muovendosi in un campo magnetico emettono radiazioni. Ma nessuno, fino ad ora, era stato in grado di rilevare le onde radio emesse da un singolo elettrone in movimento.
I ricercatori hanno utilizzato una nuova e sorprendente tecnica per misurare l’emissione delle radiazioni elettromagnetiche da parte di un elettrone. Tale tecnica potrebbe aiutare in futuro i fisici delle particelle a rispondere a una questione dibattuta da decenni: quanto pesa il neutrino?
"Si tratta di un grande risultato e siamo davvero impazienti di vedere come questa tecnologia si svilupperà nel corso del tempo" scrive il prof. Guido Drexlin, fisico delle particelle del Karlsruhe Institute of Technology, Germania che non è stato coinvolto nel lavoro.
Per comprendere l'esperimento, supponiamo che un elettrone si muova orizzontalmente attraverso un campo magnetico verticale. Esso verrà sottoposto a una forza laterale proporzionale alla sua velocità e alla forza del campo. Tale spinta laterale costante farà in modo che l'elettrone si muoverà in circolo (vedere immagine 1).
A seguito di tale rotazione l'elettrone emetterà onde elettromagnetiche. Naturalmente, la radiazione fornirà energia all'elettrone ed esso si sposterà gradualmente verso l'interno con un movimento a spirale.
Questo effetto è conosciuto da oltre un secolo. Esso è utilizzato per generare fasci di raggi x “sparando” gli elettroni all’interno degli acceleratori di particelle, noti come sincrotroni.
Recentemente, un gruppo di 27 fisici del Project 8 è riuscito a rilevare la radiazione emessa da un singolo elettrone. Il Project 8 è frutto della collaborazione tra 9 diversi laboratori, istituti di ricerca e università tra cui il MIT, il Karlsruhe Institute of Technology e il Pacific Northwest National Laboratory.
"Ho pensato che qualche altro gruppo di ricerca doveva aver già effettuato tale esperimento" scrive Brent VanDevender, fisico nucleare e membro del team del Pacific Northwest National Laboratory di Richland, Washington. "Ho cercato a lungo nella letteratura scientifica e non sono riuscito a trovare nulla", prosegue il ricercatore.
Per rilevare il segnale di un milionesimo di nanowatt, il team del Project 8 ha avuto bisogno di una sorgente di elettroni con un’energia ben definita, un mezzo per raccogliere la radiazione e degli amplificatori ultrasensibili per riuscire a percepire il segnale. Per ottenere gli elettroni, i ricercatori hanno utilizzato dei granelli rivestiti con il rubidio-83 (un isotopo del rubidio) che subisce il decadimento radioattivo “producendo” il kripton-83 (gas). I ricercatori hanno intrappolato il gas in un contenitore apposito per effettuare i test necessari. Ciascun nucleo di kripton ha poi subito una ristrutturazione interna provocando l’espulsione dall’atomo di un elettrone con un'energia specifica.
Simulazione di diversi elettroni intrappolati, ognuno di essi con un diverso angolo di inclinazione. Credits: Project 8Immagine 2 - Simulazione di diversi elettroni intrappolati, ognuno di essi con un diverso angolo di inclinazione. Gli elettroni con angoli di inclinazione più piccoli mi muoveranno ulteriormente nella direzione assiale. La scala dei colori dal rosso al blu, indica le frequenze del ciclotrone da 26.2 GHz a 26.4 GHz, rispettivamente. Credits: Project 8.
Fondamentalmente, la cella in cui si muove un elettrone è una "guida d'onda", una sorta di conduttura progettata per trasportare le onde elettromagnetiche nella gamma di frequenza giusta, dai 25 gigahertz ai 27 gigahertz, fino ad una catena di amplificatori a basso rumore. Il team è stato in grado di monitorare le radiazioni emesse da un singolo elettrone per parecchi millisecondi; un tempo abbastanza lungo per monitorarne la frequenza man mano che esso si muoveva a spirale verso l'interno. I risultati sono stati pubblicati recentemente sulla rivista Physical Review Letters.
I fisici delle particelle sono in grado di misurare le energie dei singoli elettroni ma le tecniche utilizzate generalmente creano delle alterazioni, sottolinea VanDevender. Il nuovo metodo apre la strada alla misurazione dell'energia di un elettrone senza produrre alterazioni.
Il team del Project 8 spera di utilizzare tale tecnica per misurare la massa dei neutrini, scrive VanDevender. I ricercatori hanno intenzione di studiare il nucleo del trizio: esso contiene un protone e due neutroni. Il trizio subisce un processo chiamato decadimento beta, in cui un neutrone si trasforma in un protone, mentre emette un elettrone e un neutrino.
L'elettrone e i neutrini condivideranno l'energia rilasciata durante il decadimento, con la scissione che varierà in maniera casuale da un decadimento fino al successivo. Misurando l'energia massima degli elettroni, i ricercatori potranno dedurre l'energia minima dei neutrini e quindi la massa del neutrino.
I fisici sanno che la massa del neutrino è circa 1/10.000.000 la massa di un elettrone. Ecco perché i neutrini sono classificati in tre diversi tipi, o sapori, a seconda di come essi sono stati generati; i diversi sapori possono inoltre tramutarsi l’uno nell’altro. Tali "oscillazioni del neutrino" sono possibili solo se i differenti sapori hanno differenti masse. Allo stesso tempo, gli studi sull'evoluzione dell'universo suggeriscono che i neutrini dovrebbero avere una massa inferiore a 230 meV (milli-eV). Ma finora, malgrado decenni di sforzi, le misurazioni dirette del decadimento beta mostrano solo che il peso dei neutrini è inferiore a 2000 meV.
Nell'immediato futuro, i fisici dell'esperimento Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) prevedono di effettuare delle misurazioni 10 volte più sensibili del trizio utilizzando tecniche più convenzionali. Il team di ricercatori dovrebbe iniziare ad acquisire i dati l'anno prossimo, scrive Drexlin, co-portavoce del gruppo di ricerca del progetto KATRIN. “Non vedo il Project 8 come un rivale del progetto KATRIN ma più come una futura possibilità di proseguire insieme il percorso di ricerca insieme" sostiene Drexlin.
Inoltre, molti membri del Project 8 fanno parte anche del gruppo di ricerca del progetto KATRIN, pertanto è possibile che in futuro le due tecniche possano essere combinate, fa notare il ricercatore.
Guido Drexlin, fisico delle particelle del Karlsruhe Institute of Technology
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