I neutrini sono da anni protagonisti della fisica contemporanea. La loro storia è lunga e travagliata e ha portato più volte a dei risultati che hanno letteralmente sconcertato i fisici. Basta tornare al 2012, quando fece il giro del mondo la notizia che il fascio di neutrini dal CERN al Gran Sasso avesse una velocità superiore a quella della luce, in contrasto con la Teoria della Relatività. Per fortuna si trattava di un errore. Però non è assolutamente escluso che, in un futuro prossimo, le scoperte sul neutrino potranno rivoluzionare completamente le attuali teorie fisiche.
Il quadro generale
La fisica delle particelle elementari nacque nel 1897, quando, grazie all’esperimento di Joseph John Thomson, allora direttore del Cavendish Laboratory di Cambridge, venne scoperto l’elettrone. Nei decenni successivi si osservarono per la prima volta anche il protone e il neutrone, i due costituenti fondamentali dei nuclei atomici. Queste due particelle però, a differenza degli elettroni, non sono elementari. Con particella elementare intendiamo una componente della materia che non è ulteriormente divisibile.
Attualmente tutte le particelle elementari conosciute sono contenute nel Modello Standard che, praticamente, è paragonabile al sistema periodico degli elementi chimici ideato da Dmitrij Mendeleev. Infatti anche in questo caso abbiamo una sorta di tabella in cui sono raggruppate in “famiglie” tutte le componenti fondamentali della materia. Prima di tutto possiamo individuare i cosiddetti quarks, sei particelle elementari suddivise a loro volta in due generazioni. I più importanti sono i quarks “up” e “down” che combinati assieme danno vita al protone e al neutrone. Poi abbiamo i bosoni,che di fatto sono i “mezzi” con i quali si propagano le quattro forze fondamentali della natura (interazione forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale). Infine arriviamo ai leptoni, anch’essi divisi in due gruppi: da un lato abbiamo l’elettrone, il muone e il tau (che sostanzialmente sono due versioni più pesanti dell’elettrone), dall’altro invece le tre tipologie di neutrini.
I decadimenti beta
Il primo ad ipotizzare l’esistenza del neutrino fu il fisico tedesco Wolfgang Pauli intorno al 1930. Il problema venne alla luce a partire dallo studio dei processi di decadimento beta. In natura infatti esistono casi in cui determinati elementi chimici perdono la loro condizione di stabilità e “decadono”, modificandosi e trasformandosi in altri elementi capaci di mantenere inalterata la propria natura. Per avere più chiaro il problema fisico, basta immaginare un “tavolo da biliardo”, in cui le biglie rappresentano le particelle, le quali, interagendo, cambiano il loro stato di moto (energia, traiettoria). Nel caso considerato esistono due canali di decadimento in cui un protone o un neutrone generano rispettivamente una coppia neutrone positrone (l’equivalente dell’elettrone nell’antimateria) oppure una coppia protone elettrone.
L’ipotesi di Pauli
Se si interpretavano gli esperimenti tenendo conto di un decadimento a due corpi come appena evidenziato, non si riusciva a rispettare la conservazione dell’energia. Questo rappresentava un gravissimo problema poiché il principio appena citato (secondo cui i contributi energetici delle particelle entranti sono uguali alla somma dell’energia delle particelle uscenti) aveva una valenza assoluta. In fisica non è mai stato individuato un fenomeno in cui non si rispetti la conservazione dell’energia. Pauli ipotizzò che esistesse una nuova particella, a cui diede il nome di neutrino, che partecipasse al decadimento beta. Facendo gli opportuni calcoli e confrontandoli con i risultati sperimentali si comprese immediatamente che il neutrino poteva risolvere la questione. Bisognava solo trovarlo sperimentalmente.
La scoperta
Nel 1956, dopo quasi trent’anni di ricerche, caratterizzate da innumerevoli fallimenti, gli studiosi americani Cowan e Reines annunciarono al mondo la scoperta del neutrino grazie al loro “Progetto Poltergeist”, così denominato a causa delle enormi difficoltà riscontrate nel tracciare la presenza della particella. Questi piccoli fantasmi silenziosi, infatti, hanno una massa irrisoria che non abbiamo ancora determinato con esattezza. Inoltre non hanno carica elettrica, quindi i classici meccanismi di rivelazione fondati sull’utilizzo di campi elettromagnetici risultano vani. Negli anni successivi grazie ad altri progetti, tra i quali in particolare ricordiamo il LEP (Large Electron-Positron Collider) del CERN di Ginevra, si è arrivati alla conclusione che in natura esistono tre specie di neutrini differenti, corrispondenti tre leptoni già citati in precedenza.
I neutrini e l’astrofisica
I neutrini sono implicati in numerosissimi campi della fisica. Uno degli esempi più importanti riguarda il caso dei neutrini solari. All’interno del sole, infatti, avvengono numerose reazioni termonucleari nel corso delle quali nuclei di idrogeno sono convertiti in elio; queste reazioni sono veicolate da altri elementi chimici e si assiste alla produzione di altri nuclei instabili. Alle elevatissime temperature presenti nel nucleo del sole, i decadimenti beta producono, come è stato visto in precedenza, un numero considerevole di neutrini. In copertina è riportata l’immagine del SuperKamiokande, un enorme rivelatore in grado di segnalare il passaggio di neutrini provenienti dal cosmo. Inoltre è interessante lo studio dei “neutrini extragalattici” che sono gli ultimi resti del Big Bang. Teorie recenti suggeriscono che tali particelle siano state prodotte nelle fasi primordiali dell’Universo. Trovarli e studiarli consente di avere una specie di “fotografia” degli stadi iniziali del cosmo.
Il contributo dell’Italia
Presso i laboratori dell’Istituto nazionale di Fisica Nucleare sotto al Gran Sasso, i neutrini hanno un ruolo da protagonisti in diversi esperimenti. Il più importante è l’esperimento OPERA dismesso nel 2012. Lo scopo era quello di osservare le oscillazione dei neutrini, fenomeno secondo cui i neutrini delle tre famiglie esistenti possono passare da una forma all’altra. Però è necessario che il fascio di neutrini in questione percorra una distanza sufficientemente grande. Nel caso di OPERA il fascio era generato al CERN tramite dei protoni che collidevano con un bersaglio di carbonio.
In seguito, i neutrini prodotti erano inviati al rivelatore posto nella montagna del Gran Sasso a ben 850 chilometri di distanza. Altro esperimento degno di nota è GERDA, che è uno dei principali al mondo nell’ambito della ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini. Si tratta di un particolare fenomeno verificabile nel caso in cui i neutrini siano delle particelle di Majorana, cioè delle particelle coincidenti con la rispettiva antiparticella.
I neutrini sterili
Negli ultimi anni sono state avanzate diverse teorie “stravaganti” che prevedono l’esistenza di una quarta specie di neutrini, i cosiddetti neutrini sterili. I fisici li hanno indicati con questo appellativo in quanto si prevede che non siano coinvolti in nessun tipo di interazione eccetto quella dovuta alla gravità. Se si dovesse dimostrare l’esistenza di questi nuovi “poltergeists” giungeremo di fronte al superamento del Modello Standard, dato che non troverebbero posto nella classificazione attuale. I neutrini sterili sono anche stati candidati come le possibili particelle che costituiscono la cosiddetta Materia Oscura; secondo le teorie attuali l’Universo è infatti costituito da una piccola percentuale di materia ordinaria e da un 86% di tale componente di cui sappiamo ancora pochissimo.
Uno sguardo al futuro
È auspicabile sperare che si giunga in un futuro non troppo lontano a delle nuove teorie fisiche in grado di spiegare fenomeni che sono ancora ignoti. Lo studio dei neutrini rappresenta una delle più interessanti frontiere della fisica moderna e, paradossalmente, nonostante siano passati inosservati per decenni, l’Accademia Reale Svedese delle Scienze ha conferito numerosi premi Nobel per esperimenti fatti in questo campo della fisica. L’ultimo è quello del 2015 assegnato a Takaaki Kajita e Arthur McDonald “per la scoperta delle oscillazioni del neutrino che mostrano perché il neutrino ha massa”. Forse i neutrini saranno i protagonisti di future Teorie di grande unificazione, che hanno lo scopo di mettere insieme le forze fondamentali della fisica.
Diego Bottoni
(In copertina il SuperKamiokande, in grado di rilevare il passaggio di un qualsiasi neutrino proveniente dal cosmo)
Per approfondire:
- GERDA (GERmanium Detector Array)
- Neutrini sterili
- OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)
