I neutrini tanto numeroso, quanto schivi

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Chiunque non rimanga sconvolto dalla meccanica quantistica non l'ha pienamente compresa
Niels Bohr

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Nel tempo durante il quale il lettore ha scorso queste poche parole, probabilmente, egli non sa che miliardi di neutrini hanno attraversato il suo corpo, senza averne percepito il minimo effetto. Può essere che questa affermazione possa lasciare perplessi, ma, ricordiamoci che non si sentono nemmeno le onde elettromagnetiche emesse dalla nostra radio o dal televisore, per non parlare della materia oscura o dell'energia oscura. Però quello che colpisce dei neutrini è il loro numero e il carattere molto "schivo" che rende difficile una sua precisa caratterizzazione. I neutrini ci accompagnano da sempre e sono parte dell'evoluzione del mondo naturale; probabilmente sono stati in gran parte i responsabili dell'evoluzione stessa. I neutrini, che attraversano il nostro corpo, provengono dal sole, altri da molto più lontano, da regioni remote dell'universo, altri dal nostro pianeta. Il neutrino è legato a una delle scoperte che maggiormente hanno sorpreso i fisici alla fine del XIX secolo, la radioattività.
L'esistenza del neutrino venne postulata nel 1930 da Wolfgang Pauli per spiegare lo spettro continuo del decadimento beta. Fu studiato anche da Enrico Fermi nel 1934 ma scoperto solo 22 anni dopo, nel 1956, dai fisici Clyde Cowan e Fred Reines nel corso di un esperimento eseguito al reattore a fissione di Savannah River, che mostrò reazioni indotte proprio da neutrini liberi. L'interesse di porre tutto l'apparato presso questo tipo di reattore è che esso è una fonte molto importante di antineutrini: durante la fissione nucleare si sviluppano molti neutroni, i quali decadono emettendo antineutrini.

L'apparato sperimentale era costituito da un bidone di 200 litri d'acqua mescolata a cloruro di cadmio, in modo da poter sfruttare la reazione inversa del decadimento del neutrone:

con creazione di un neutrone e di un positrone.

Data la scarsa sezione d'urto del processo è chiaro che serve una grande quantità di protoni (cioè di acqua) per avere un segnale utile. Il positrone si annichila con un elettrone presente nell'apparato, dando luogo a due fotoni di energia totale pari alle masse delle particelle; il neutrone prodotto viene moderato dall'acqua e assorbito dal cadmio, il quale, dopo l'assorbimento, si trova in uno stato eccitato ed emette, quindi, un altro fotone. Il segnale ricercato, quindi, è composto da due fotoni di energia uguale (0,511 MeV), seguiti da un fotone di energia molto maggiore a breve distanza di tempo. L'alto flusso disponibile permetteva di avere due rivelazioni all'ora e il fondo calcolato per questo esperimento era molto minore di questo valore. L'esperimento si rivelò, quindi, concludente.

Poiché il neutrino interagisce debolmente, quando si muove attraverso la materia le sue possibilità di interazione sono molto piccole. Occorrerebbe un ipotetico muro in piombo spesso un anno luce per bloccare la metà dei neutrini che lo attraversano. I rivelatori di neutrini di solito contengono centinaia di tonnellate di materiale, costruito in modo tale che pochi atomi al giorno interagiscano con i neutrini entranti. In una supernova collassante, la densità del nucleo diventa abbastanza alta (10^14g/cm³) da intercettare parte dei neutrini prodotti.
Esistono tre tipi differenti di neutrino: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico, in diretta relazione rispettivamente con i leptoni del modello standard (elettrone, muone e tauone). L'esistenza di tre famiglie di neutrini è stata misurata al Large Electron-Positron Collider. In particolare, la misura della larghezza di decadimento del bosone Z ha stabilito che esistono tre tipologie di neutrino aventi massa minore di 45 GeV e che interagiscano debolmente. La gran parte dell'energia di una supernova collassante viene irradiata sotto forma di neutrini, prodotti quando i protoni e gli elettroni del nucleo si combinano a formare neutroni. Questa reazione produce un flusso considerevole di neutrini. La prima prova sperimentale di questo fatto si ebbe nel 1987, quando vennero rilevati i neutrini provenienti dalla supernova 1987a.

Le masse dei tre tipi di neutrini

Nel Modello Standard (MS) i neutrini sono ipotizzati come privi di massa. Tuttavia, esperimenti recenti suggeriscono che ciò sia falso. Infatti, flussi di neutrini possono oscillare tra i tre autostati di interazione, in un fenomeno conosciuto come oscillazione dei neutrini (che fornisce una soluzione al problema dei neutrini solari e a quello dei neutrini atmosferici). Questo, inevitabilmente, induce a modificare il MS, introducendo dei termini nuovi per soddisfare la richiesta che i neutrini siano particelle dotate di massa. Alcuni anni fa si pensava che i neutrini potessero essere ritenuti responsabili dellla materia oscura, ma con l'attuale conoscenza della loro massa possono contribuire solo per una frazione insignificante.
Da esperimenti effettuati da numerose collaborazioni internazionali (tra le quali si possono citare Super-Kamiokande, Sudbury Neutrino Observatory e KamLAND), è emersa l'evidenza del fenomeno noto come "oscillazione di sapore" dei neutrini, un fenomeno che fa mutare la particella da una "famiglia" a un'altra, suggerendo che questa particella possegga una massa, così come teorizzato dal fisico Bruno Pontecorvo nel 1969.
I neutrini esistono in tre "sapori" conosciuti, i muonici, gli elettronici e i tauonici, assieme ai loro antineutrini. Per il calcolo delle loro proporzioni si osserva una notevole differenza fra valori teorici e sperimentali; ad esempio sulla Terra si sono registrati solo 1/3 dei neutrini che si pensa possano essere emessi dalle reazioni nucleari del Sole. Come possibile soluzione al problema dei neutrini solari, era stato teorizzato che i neutrini mancanti fossero quelli muonici, che si erano trasformati in tauonici, molto più difficili da osservare.
Dall'anno 2007 è stato eseguito un esperimento a distanza per provare questa teoria; il CERN a Ginevra genera neutrini muonici e li spara in direzione del laboratorio INFN del Gran Sasso. Su miliardi di miliardi di neutrini lanciati dal CERN e arrivati ai laboratori dell'INFN dal 2007, nel 2010 è stato osservato dagli scienziati un primo neutrino che ha oscillato da muonico a tau ma il risultato è sufficiente per suggerire fortemente che i neutrini abbiano una massa e che possano oscillare passando da un sapore a un altro. Ulteriori ricerche confermano le oscillazioni di sapore del neutrino.
Nel 2012 l'esperimento OPERA del Gran Sasso ha osservato per la seconda volta una oscillazione di sapore del neutrino muonico in neutrino tauonico. Le oscillazioni osservate da neutrino muonico a neutrino elettronico, al 6 giugno 2012, sono state invece 19.
Oggi possiamo affermare di essere entrati nell'era della neutrino-astronomia, grazie ai "telescopi" di neutrini come IceCube, un rivelatore con un volume di 1 km cubo posto fra i ghiacci del Polo Sud. IceCube ha osservato i primi neutrini extraterrestri e grazie a loro si potrà capire meglio cosa accade in zone remote dell'universo. Difatti i neutrini sono ottimi messaggeri cosmici poiché hanno scarsa probabilità di interagire con l'ambiente circostante e per questo trasportano intatte le informazioni dal posto in cui vengono creati fino a noi sulla Terra.
Nel Modello Standard i neutrini sono pensati privi di massa, per cui l'esito di questo esperimento implica la necessità di modificare la teoria, fornendo nuove spiegazioni e iniziando nuove ricerche con tutte le possibili implicazioni in cosmologia, nell'astrofisica e nella fisica delle particelle.
RICAPITOLANDO
I neutrini non hanno carica elettrica e, a differenza degli elettroni, non sono quindi soggetti all'interazione elettromagnetica, non hanno neanche carica di “colore”, dunque non risentono nemmeno dell'interazione forte. L'interazione gravitazionale è, da parte sua, comunque trascurabile. I neutrini interagiscono e vengono creati solo in virtù dell'interazione debole.
L'interazione debole è circa 10.000 volte più debole di quella elettromagnetica. Ciò spiega la piccolissima probabilità di interazione dei neutrini con la materia (che aumenta linearmente con l'energia): la sua sezione d'urto è di 10^-38 cm2 a 1 GeV.
I neutrini vengono dal Big Bang, dalle stelle (e dal nostro Sole), dai raggi cosmici, dalla nostra stessa Terra e dagli animali (uomo incluso), dalle centrali nucleari e dagli acceleratori di particelle. Una grande quantità di neutrini fu prodotta nel Big Bang. L'Universo, da allora, si è espanso enormemente nel corso di 15 miliardi di anni. Di quei neutrini, circa 330 si trovano in ogni centimetro cubo dell'Universo attuale! GALASSIE, STELLE, PIANETI E LA NOSTRA TERRA SONO IMMERSI IN UNA NUBE DI NEUTRINI FOSSILI!
Il Sole produce circa 10^38 neutrini al secondo; di essi, circa 60 miliardi al secondo attraversano ogni centimetro quadrato dellasuperficie terrestre, e l'energia di questi neutrini è dell'ordine del MeV (minore di 20 MeV).

Le "combustioni" che tengono acceso il sole; la prima emette un neutrino.

La radiazione elettromagnetica interagisce con il nostro corpo e vi deposita la sua energia (calore). I neutrini hanno una bassissima probabilità di interazione e ci trapassano senza rilasciare energia (per fortuna!). Ogni secondo, un uomo è attraversato da: 40.0000 miliardi di neutrini provenienti dal Sole; 50 miliardi di neutrini dalla radioattività delle rocce terrestri; da 10 a 100 miliardi di neutrini provenienti da tutte le centrali nucleari mondiali. Ma attenzione: il corpo umano contiene circa 20 mg di Potassio 40, che è beta-radioattivo: quindi, noi stessi emettiamo circa 340 milioni di neutrini al giorno, che ci lasciano alla velocità della luce e si perdono nell'immensità dell'Universo!
LA STORIA DEL NEUTRINO
1896 Scoperta della radioattività
1926 Problema del decadimento beta. Nel caso il decadimento fosse a due corpi (ad esempio Co(60) > Ni (60) + elettrone), lo spettro degli elettroni avrebbe dovuto mostrare una riga, mentre invece lo spettro é continuo! Lo spettro continuo dell'elettrone non era compatibile col decadimento a due corpi del nucleo radioattivo, pertanto doveva essere ipotizzata l'esistenza di una terza particella.
1930 Pauli ipotizza l'esistenza di questa nuova particella (chiamato allora neutrone)
1933 Fermi conferisce il nome al neutrino.
1956 Scoperta sperimentale del neutrino (neutrino elettronico)

La scoperta del neutrino avvenne più di 20 anni dopo la sua teorizzazione.

Un reattore nucleare è un notevole produttore di (anti)neutrini: ne produce circa 5 × 10^20 per secondo! Un rivelatore posto nei pressi del reattore permette di osservare i frutti dell’interazione dei neutrini con la materia stessa del rivelatore. In particolare, i neutrini si identificano attraverso la rivelazione “in coincidenza” di un positrone e di un neutrone, la reazione inversa del decadimento beta.

1962 Scoperta di un altro tipo di neutrino (neutrino muonico)

Oggi sappiamo che un neutrino di tipo elettronico, interagendo con la materia, produce un elettrone e che un neutrino di tipo muonico produce un muone e mai un elettrone:

Schwartz, Lederman e Steinberger ottennero il premio Nobel per il loro esperimento del 1962 all'acceleratore di Brookhaven, che mostrò appunto che da un fascio di neutrini “mu” vengono prodotti muoni e non elettroni. Questa fu la prova che il neutrino elettronico è una particella diversa dal neutrino muonico. I neutrini “mu” vennero prodotti facendo decadere i pioni a loro volta generati nell’interazione di protoni con un bersaglio. Il rivelatore era una grande camera a scintilla, in grado di evidenziare la lunga traccia penetrante del muone prodotto dal neutrino “mu”.

1973 Scoperta delle correnti neutre indotte da neutrini

L'interazione dei neutrini con la materia determina la creazione del leptone carico partner del neutrino. Si parla in questo caso di correnti cariche, che avvengono attraverso lo scambio di una particella mediatrice: il bosone W+ o W- :

Tuttavia, la teoria di unificazione tra le interazioni elettromagnetiche e deboli sviluppata da Weinberg, Glashow e Salam prevedeva l'esistenza delle cosiddette correnti neutre, nelle quali il neutrino rimane tale e il mediatore è un bosone carico (la particella Z0):

Le correnti neutre furono scoperte nel 1973 al CERN, usando un fascio di neutrini muonici prodotti facendo decadere mesoni carichi e come rivelatore la camera a bolle Gargamelle. Una camera a bolle evidenzia le tracce delle particelle mediante una serie di piccole bollicine in un particolare gas liquefatto.

1991 Acceleratore LEP: prova indiretta di soli 3 tipi di neutrino

La larghezza in energia di una risonanza, ad esempio quella del mediatore delle correnti neutre Z0, è tanto maggiore quanto più numerosi sono i possibili canali di decadimento. Ciò è legato al Principio di Indeterminazione:

dE x dt = costante

Nell'ipotesi di tre soli neutrini, sono possibili tra gli altri i seguenti decadimenti in coppie neutrino-antineutrino:

La misura effettuata al LEP del CERN ha mostrato che i punti sperimentali relativi alla misura della larghezza della Z0 sono interpolati dalla curva corrispondente a tre soli neutrini.

2000 Scoperto il terzo neutrino (neutrino tauonico)

L'esperimento DONUT si è recentemente concluso al FERMILAB. Suo scopo era la rivelazione diretta del neutrino “tau”, identificando i prodotti della sua interazione (leptone “tau”) con un bersaglio attivo. La reazione cercata è la seguente:

L'identificazione del “tau” è complicata dalla sua breve vita media (qualche mm). In DONUT si sono usate perciò emulsioni nucleari, rivelatori ad altissima risoluzione spaziale (1 micron).

Il neutrino ha massa?
Fisica
L'esistenza di una massa non nulla per il neutrino aprirebbe un nuovo mondo per la fisica delle Particelle Elementari: renderebbe plausibile una teoria di Unificazione di tutte le interazioni fondamentali (elettrodebole, forte, gravitazionale) in una unica Super Forza, che sarebbe stata attiva nei primissimi istanti di vita dell'Universo. Ma ci sarebbero altre eccezionali implicazioni: la materia ordinaria potrebbe non essere stabile come oggi sembra. Sarebbe possibile il decadimento del protone e la conversione tra leptoni (come l'elettrone) in barioni (protone, neutrone,...). Si darebbe ulteriore supporto alle cosiddette teorie Supersimmetriche che predicono l'esistenza di tutta una serie di particelle ancora sconosciute, ma che soprattutto prevedono l'esistenza di una completa simmetria tra particelle (elettroni, quark,...) e mediatori (fotoni, gluoni, W, Z,...).
Astrofisica e cosmologia
Dall’osservazione del moto delle galassie è stato possibile determinare che solo il 10% della massa dell’Universo è visibile o comunque costituito dalla materia ordinaria composta da atomi. Il rimanente 90% è chiamato Materia Oscura perché invisibile. Vi sono varie ipotesi, alcune molto fantasiose e affascinanti, per spiegare la natura della Materia Oscura: buchi neri, particelle ancora sconosciute, o ancora… i nostri neutrini. Dato il loro grande numero nell’Universo, infatti, se la massa di una data specie di neutrino fosse almeno 1/30000 di quella dell’elettrone, parte della Materia Oscura potrebbe essere costituita da neutrini e determinare l’evoluzione futura dell’Universo. È quindi più che comprensibile l'importanza cosmologica della massa del neutrino.

Le oscillazioni di neutrino.

Un modo per provare che il neutrino ha una massa è il seguente: verificare se esistano le oscillazioni di neutrino. Nel 1962 Pontecorvo ipotizzò che i neutrini, se dotati di una pur piccola massa, possono essere soggetti alle cosiddette oscillazioni di neutrino. Si tratta di un fenomeno quantistico. Per spiegarlo, assumiamo per semplicità che si conoscano (come ai tempi di Pontecorvo) solo due tipi di neutrino (autostati di sapore), prodotti nei processi di interazioni deboli: neutrino “e” e neutrino “mu”. Esisteranno allora anche due autostati di massa neutrino 1 e neutrino 2 . Ciascun autostato di sapore può essere espresso come combinazione lineare degli autostati di massa, e viceversa. Secondo le leggi della Meccanica Quantistica , se un dato autostato di sapore (diciamo un neutrino “mu” ) viaggia nello spazio, i due autostati di massa che “ lo compongono” si propagheranno come onde con frequenze diverse, i cui valori dipendono delle masse 1 e 2. Si crea quindi un fenomeno di interferenza per il quale periodicamente si passa dall’originario neutrino “mu”, combinazione di due autostati di massa, a un ben definito autostato di massa, combinazione di due autostati di sapore: neutrino “mu” e neutrino “e”. Un rivelatore opportunamente posto potrebbe allora rivelare un neutrino “e” e non più un neutrino “mu”.

Vedi il filmato.

BIBLIOGRAFIA
Lino Miramonti e Franco Reseghetti, Neutrino. La particella fantasma Franco Muzzio Editore, 2004

Eugenio Caruso - 07-12 -2015

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