Infn: il grafene come nuova via per lo studio della massa del neutrino

ASSERGI - Misurare la massa del neutrino è una delle sfide più importanti della fisica contemporanea. Queste particelle, tra le più leggere e sfuggenti dell’universo, attraversano la materia quasi senza interagire, e custodiscono informazioni fondamentali sull’evoluzione cosmica.

Un nuovo studio, frutto di una collaborazione tra Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr Nano), Università di Pisa, Sapienza Università di Roma, INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e Columbia University nell’ambito del progetto PTOLEMY, analizza in dettaglio il ruolo di un substrato di grafene durante il decadimento del trizio, uno dei processi alla base delle misure della massa del neutrino. Il lavoro è tato pubblicato sulla rivista Physical Review C.

Il trizio è un isotopo radioattivo dell’idrogeno che decade emettendo un elettrone e un neutrino. La misura precisa dell’energia degli elettroni emessi permette di ricavare informazioni indirette sulla massa del neutrino, ma questo approccio è ormai vicino ai suoi limiti sperimentali.

Per migliorare la sensibilità delle misure, il progetto PTOLEMY punta a utilizzare trizio adsorbito su grafene, un materiale bidimensionale composto da un singolo strato di atomi di carbonio. In queste condizioni, le interazioni tra il trizio e il substrato di grafene possono modificare l’energia degli elettroni emessi introducendo “effetti di stato solido”.

“All’interno di un materiale, diversamente da quanto avviene nel vuoto, le eccitazioni elettroniche e vibrazionali alterano lo spettro energetico degli elettroni emessi, proprio il segnale fondamentale per determinare la massa del neutrino. È quindi essenziale quantificare questi effetti con grande precisione per interpretare correttamente i dati sperimentali”, spiega Valentina Tozzini del Cnr Nano, autrice dello studio assieme ad Andrea Casale della Columbia University, Angelo Esposito di Sapienza Università di Roma e dell’INFN e Guido Menichetti dell’Università di Pisa.

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un approccio teorico che combina simulazioni della struttura elettronica del grafene - basate su un utilizzo non convenzionale di un metodo computazionale noto come Density Functional Theory - con la descrizione quantistica del decadimento nucleare, permettendo di riprodurre in modo realistico le condizioni in cui il trizio si trova nei dispositivi sperimentali. Il nuovo approccio teorico ha consentito, per la prima volta, un calcolo della distribuzione energetica degli elettroni includendo sia gli effetti nucleari sia quelli di stato solido.

“Questo risultato definisce perfettamente il carattere multidisciplinare del progetto PTOLEMY. Un progetto che spazia dalla cosmologia alla fisica delle particelle, alla fisica dello stato solido e alla fisica teorica. In ognuno di questi ambiti il progetto offre grandi opportunità di ottenere risultati alla frontiera della conoscenza", sottolinea Marcello Messina, primo ricercatore dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, technical coordinator e tra i fondatori di PTOLEMY.

“Questo tipo di analisi consente di comprendere meglio l’effetto del materiale sul segnale di decadimento, rendendo distinguibili dettagli finora difficili da isolare nella distribuzione energetica degli elettroni - spiegano i ricercatori -. Inoltre fornisce indicazioni per la progettazione del mezzo ottimale per gli studi sulla massa del neutrino e, in prospettiva, per la rivelazione dei neutrini del fondo cosmico sfruttando il processo di cattura neutrinica da parte del trizio”.

Lo studio esplora un ambito fortemente interdisciplinare alla frontiera tra fisica della materia, fisica nucleare e cosmologia e mette in evidenza come materiali bidimensionali, quali il grafene, non siano solo piattaforme tecnologiche avanzate ma anche strumenti per affrontare problemi fondamentali della fisica contemporanea.