Ieri è stato conferito il Nobel per la Fisica a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald, i quali hanno lavorato su due dei più importanti esperimenti che hanno portato alla conferma delle oscillazioni dei neutrini.
Se quello che è stato appena scritto non ha praticamente nessun senso per voi che leggete allora cerchiamo di fare un po' di chiarezza.
Innanzitutto il neutrino è una particella subatomica elementare che fa parte del Modello Standard, la teoria in ambito della fisica delle particelle che al momento rappresenta la migliore spiegazione del nostro universo e di tutte le forze (eccetto la gravità) ed interazioni che in esso accadono. Raccoglie tutte le particelle elementari fin ora conosciute, con illustre ultimo arrivato il noto bosone di Higgs.
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| Particelle del Modello Standard, i neutrini sono identificati con la lettera greca ʋ |
Praticamente, il neutrino è un parente molto stretto dell'elettrone e può presentarsi in tre, cosiddetti, "sapori": elettronico, muonico e tauonico. Questi ultimi derivano dai fratelli più pesanti dell'elettrone, il muone e il tauone, i quali condividono la caratteristica di avere una carica elettrica unitaria negativa, mentre per il neutrino la carica è nulla, e sono semplicemente pià massivi. La loro scoperta, avvenuta però dopo la prova sperimentale dell'esistenza dei neutrini, ha portato con se anche i nuovi sapori.
La teorizzazione del neutrino arriva nel 1930 dal fisico austriaco Wolfgang Pauli che dopo aver dato alcune basi della meccanica quantistica - come il principio di esclusione - propose l'esistenza di questa particella in un disperato tentativo di spiegare la conservazione dell'energia nel decadimento beta, un tipo di decadimento dei nuclei atomici.
L'idea di Pauli che dell'energia mancante venisse portata via da una particella elettricamente neutra, poco interagente con la materia e con una massa piccolissima era per lui stesso un problema, pensava di aver teorizzato qualcosa che non si sarebbe mai potuto trovare!
Un altro grande della fisica come Enrico Fermi inserì questa particella all'interno di una teoria del decadimento beta e gli diede il nome di neutrino, italianizzando il nome del neutrone per la identica mancanza di carica e usando quel suffisso, -ino, invariato anche nella lingua inglese, che ne conferisce la piccolezza rispetto la massa.
La verifica sperimentale dell'esistenza del neutrino avviene soltanto nel 1956 per merito di Clyde Cowan e Frederick Reines. In quel periodo si poteva svolgere la ricerca sui neutrini emessi dai decadimenti nei reattori nucleari che ne producevano in grandissima quantità, 10000 miliardi al secondo per centimetro quadrato!
Giusto per dare un'idea dei numeri, centinaia di miliardi di neutrini prodotti dalle reazioni nucleari nel Sole passano ogni secondo attraverso il bulbo dei nostri occhi, procedono attraverso la terra e continuano imperterriti a viaggiare nello spazio più profondo senza riuscire ad interagire praticamente con nulla. Nello stesso tempo circa 5000 neutrini sono rilasciati dai decadimenti del potassio contenuto nel nostro corpo. In pratica i neutrini sono davvero ovunque, inoltre servirebbe un blocco di piombo spesso un anno luce per bloccarne la metà di quelli che lo attraversano. Un bel guaio per chi è deciso a trovarli sperimentalmente! Tanto che Cowan e Reines chiamarono il loro primo rivelatore Progetto Poltergeist, proprio per l'apparente elusività del neutrino.
Benché scoraggiante, c'è la possibilità sperimentale di rivelarli attraverso le loro rarissime interazioni con la materia. Si iniziarono a costruire rilevatori con vasche da migliaia di litri di materiale, per sopperire alla grande capacità di penetrazione dei neutrini, e li si spostarono sotto terra in modo da schermarli dai raggi cosmici.
Nonostante questi esperimenti c'era ancora qualcosa che non tornava: i calcoli teorici suggerivano che il Sole avrebbe dovuto generare una certa quantità di neutrini, i dati sperimentali però non erano in accordo, fino a due terzi di quei valori mancavano all'appello.
Nonostante questi esperimenti c'era ancora qualcosa che non tornava: i calcoli teorici suggerivano che il Sole avrebbe dovuto generare una certa quantità di neutrini, i dati sperimentali però non erano in accordo, fino a due terzi di quei valori mancavano all'appello.
Questo implicava che doveva esserci un errore nella teoria oppure nell'apparato strumentale, sebbene per quest'ultimo sarebbe stato più probabile rilevare più neutrini del previsto (e non meno), vista la loro quasi ubiquità.
Una possibilità che venne considerata era che i neutrini possano cambare sapore, ovvero oscillare, fenomeno teorizzato per primo dall'italiano Bruno Pontecorvo, e che non possano quindi essere rilevati negli esperimenti Passarono anni prima che i nostri due freschi premi Nobel portassero la conferma sperimentale a questa congettura, aspettando un innovazione tecnologica per migliorare la qualità del rilevatore e andando a cercare le differenze sperimentali nella relazione tra i vari sapori di neutrino.
Come abbiamo accennato il lavoro è stato svolto da due diversi gruppi, quello di Kajita al Super-Kamiokande diventato operativo nel 1996 in una miniera di zinco a 250 km da Tokyo, e quello di McDonald al Sudbury Neutrino Observatory, costruito nel 1999 in una miniera di nickel nell'Ontario.
Nel rilevatore giapponese, costruito 1000 metri sotto terra e contenente 50000 tonnellate di acqua, vennero montati dei rilevatori di luce intorno alla vasca per amplificare la debolissima luce che si generava dall'interazione dei neutrini con la materia.
Una piccolissima percentuale di neutrini infatti può collidere con un nucleo atomico o un elettrone dell'acqua, generando delle particelle cariche (elettroni o muoni) che sviluppano una fievole luce blu, chiamata luce Cherenkov. Questa luce nasce da particelle che viaggiano più veloci della luce in un mezzo (in questo caso l'acqua). (Attenzione: questo non va in contraddizione con la teoria di Einstein, che invece afferma che nulla può superare la velocità della luce, ma nel vuoto). Dunque andando a studiare forma e intensità di questa luce si può capire quale tipo di neutrino, e da dove, l'ha generata.
Al Super-Kamiokande si possono rivelare i neutrini muonici, sia quelli che si formano nello spazio sia quelli che attraversano, dall'altro lato, l'intera lunghezza della terra. Le due quantità dovrebbero essere uguali, ma si è osservato che non è così. I neutrini che passano attraverso la Terra interagiscono in qualche modo, in quanto sono in minor numero. Siccome il numero di neutrini elettronici è uguale a quello previsto dalla teoria, allora i neutrini muonici si devono essere trasformati nell'altro sapore, quello tauonico.
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Schema del rivelatore Super-Kamiokande  |
Qui entra in gioco il Sudbury Neutrino Observatory nel quale, utilizzando l'acqua pesante (acqua con un neutrone in più del normale negli atomi di idrogeno), con alcune reazioni chimiche si possono identificare solo i neutrini elettronici e con altre quelli di altro sapore. Visto che dal Sole ci si aspetta soltanto neutrini elettronici, dalla differenza di queste due misure si può ricavare l'indizio che qualcosa è cambiato lungo i 150 milioni di chilometri percorsi nello spazio.
E quindi?
Dopo tutta questa storia, cosa ci interessa dell'aver capito che i neutrini oscillano?
Innanzitutto, la presenza di oscillazioni richiede che il neutrino abbia massa, contrariamente a quello che c'è nel Modello Standard da cui siamo partiti! Purtroppo la spiegazione può arrivare solo dal mondo quantistico dove le particelle sono descritte anche come onde ma sono semplicemente differenti aspetti dello stesso fenomeno fisico.
L'oscillazione è dovuta al fatto che queste onde, nel nostro caso i tre sapori di neutrino, viaggiano inizialmente in fase e non è possibile distinguerle. A poco a poco le tre onde iniziano ad andare fuori fase proprio a causa delle piccolissime differenze di massa tra i vari sapori. L'oscillazione del neutrino è legata alla sua natura ondulatoria ma la possibilità di cambiare sapore può essere giustificata soltanto dalla presenza di una massa. Questa, seppur piccolissima e mai misurata, dà uno scossone alla fisica del nostro secolo in quanto rende incompleta la teoria che sta alla sua base.
Non si può dire altro che questo è proprio quello che fa felice un fisico, e più generalmente uno scienziato: evidenziare un problema in una teoria non vuol dire che questa sia da buttare, ma solo che forse ci siamo sentiti troppo sicuri di noi nello sperare che la ricerca della conoscenza si possa fermare così presto. Piuttosto vuol dire che ancora molti Nobel sono da consegnare, magari seguendo proprio quest'ultimo riconoscimento..