Il decadimento proibito

di: Carlo Mancini - May• 19•11








A distanza di quasi cento anni dalla sua scoperta, il muone ha ancora la capacità di stupirci. La ricerca di reazioni che coinvolgono questa leggerissima particella, diverse da quelle predette dalla teoria fino a oggi costruita e accettata, potrebbe infatti rivelare nuovi meccanismi fisici alla base delle interazioni tra le particelle elementari. MEG (μ-e-γ, mu-e-gamma) è un esperimento che cerca un fenomeno proibito: la violazione della conservazione del numero leptonico mediante lo studio di un particolare decadimento del muone.

Il muone

Paul Scherrer Institut

1. Il Paul Scherrer Institut sulle sponde del fiume Aar, dove è installato l'esperimento MEG.

La particella μ (o muone, dalla pronuncia della lettera greca “Mu”) è un’importante componente dei cosiddetti raggi cosmici, scoperti agli inizi del ’900 dal fisico tedesco V. Hess quando intraprese un viaggio su pallone aerostatico per misurare la quantità di particelle cariche presenti nell’atmosfera. Scoprì che la radiazione aumentava in funzione dell’altitudine e che non era compatibile con la radioattività naturale: esistevano dunque particelle di natura ignota che arrivavano sulla Terra dallo spazio esterno. Nel 1936 a Hess andò il Nobel per la fisica, mentre nello stesso anno Anderson e Neddermeyer scoprirono effettivamente l’esistenza del muone.

Oggi negli acceleratori è possibile produrre con relativa facilità i muoni. Da una collisione (o interazione primaria) tra due particelle in moto o tra una particella e un bersaglio, si producono una grande quantità di particelle figlie (o secondarie), secondo la ben nota relazione E = mc2, la quale ci assicura che, a patto di avere sufficiente energia nell’interazione primaria, è possibile ottenere particelle secondarie di una certa massa: tanto maggiore è l’energia primaria, tanto maggiore sarà la massa delle particelle prodotte dalla collisione. Dal punto di vista energetico, quindi, produrre un muone è semplice se si pensa che è la seconda particella carica più leggera subito dopo l’elettrone.

Storicamente, man mano che l’energia primaria a disposizione cresceva grazie all’invenzione delle macchine acceleratrici1, i fisici delle particelle si sono trovati presto ad avere a che fare con una grande varietà di particelle. E gli scienziati, si sa, “sono fatti così, devono sempre capire!”2. E allora, come classificare le particelle? Come capire i meccanismi alla base della loro produzione e interazione? D’ora in avanti, tentando di rispondere a queste domande, ci costruiremo di fatto gli ingredienti concettuali che ci permetteranno di capire come si arriva alla richiesta di conservazione del numero leptonico e alla ricerca della sua violazione, obiettivo dell’esperimento MEG.

Fase zero: osservare

Il metodo scientifico tende a essere una successione ben precisa e ordinata di considerazioni e azioni che consentano di giungere a una scoperta quanto più oggettiva possibile sul mondo fisico, anche se di solito questa ricostruzione lineare viene sempre fatta a posteriori. In generale lo sperimentatore inizia con l’osservazione del fenomeno in oggetto e prosegue con la formulazione di ipotesi ragionevoli e in accordo con quanto osservato per rappresentarlo e spiegarlo. Verifica infine che l’ipotesi formulata corrisponda di fatto alla realtà attraverso nuovi esperimenti. Una teoria che spieghi un certo fenomeno è valida se è in accordo con tutte le osservazioni condotte per quel fenomeno3: una volta costruita, verificata e accettata una certa teoria, un’eventuale osservazione successiva in contrasto con essa conduce o ad accantonare tale teoria perché sbagliata oppure a una nuova teoria che comprenda la vecchia sotto determinate ipotesi. Si pensi per esempio alla teoria della relatività speciale di Einstein,valida per velocità prossime a quelle della luce e che per piccole velocità diventa equivalente alla relatività galileiana, quest’ultima formulata per prima nel ’600.

A caccia di regole…

Alla base della comprensione di un fenomeno c’è quindi l’osservazione. Ora, mentre nel mondo macroscopico è quasi sempre possibile osservare direttamente un fenomeno, come quelli che coinvolgono le leggi della meccanica o della dinamica, la comprensione di un meccanismo nel campo della fisica delle particelle parte quasi sempre dall’osservazione dei tipi di reazioni che avvengono, ovvero dallo studio di quali particelle vengono coinvolte in una reazione piuttosto che in un’altra. Studiando miriadi di reazioni tra le particelle, si è osservato in particolare che ogni leptone carico – elettrone, muone, tau – viene prodotto sempre insieme al corrispettivo leptone neutro: neutrino elettronico, neutrino muonico, neutrino tauonico, rispettivamente.

Le tre famiglie di leptoni

2. Schema delle tre famiglie di leptoni: elettrone, muone e tau in basso, i neutrini corrispondenti in alto.

La regola che governa le interazioni tra leptoni è la seguente: assegnando arbitrariamente una quantità binaria, detta numero leptonico, positiva a ciascun leptone carico (+1) e negativa a ciascun leptone neutro (-1), nelle reazioni osservate risulta che il numero leptonico iniziale e finale coincidono. Per esempio, nella reazione μ− → e− νe ν*μ (decadimento di Michel del muone, o decadimento standard), il numero leptonico muonico iniziale, associato all’unica particella presente nello stato iniziale, è +1 e rimane tale anche nello stato finale, in quanto le antiparticelle (indicate con un asterisco) hanno numeri quantici opposti rispetto alle corrispondenti particelle. Analogamente, il numero leptonico elettronico è nullo nello stato iniziale e tale rimane anche nello stato finale. In questo senso si dice che il numero leptonico è una quantità conservata nelle reazioni tra le particelle elementari.

… e di violazioni

Potremmo così riportare svariate reazioni nelle quali il numero leptonico è conservato e che, quindi, confermano la validità della regola costruita. Ma allora perché cercare la violazione della conservazione del numero leptonico? Perché cercare l’eccezione a una regola che funziona? Il punto è che la comunità scientifica è d’accordo nel ritenere che la teoria costruita fino a oggi, quel Modello Standard che per ora descrive molto bene le particelle elementari e le loro interazioni, non sia la più generale possibile e che esista una teoria più completa che possa contenere quella attuale, nel senso esposto poco più su. Alcune nuove e più generali teorie proposte prevedono, oltre ai processi fisici noti, l’esistenza di nuovi tipi di reazioni proibite dal Modello Standard, in cui per esempio il numero leptonico non è conservato. Detta in questa maniera, l’esistenza di questi nuovi processi fisici sembrerebbe più un’arida richiesta formale che una possibile realtà che valga la pena studiare. Ci chiediamo in altre parole se esiste un qualche fenomeno dal quale partire per dare un indirizzo concettuale alla nostra ricerca. La risposta è ovviamente sì e riguarda il comportamento di alcune particelle tanto leggere quanto sfuggenti: i neutrini.

Neutrini mutanti

Come appena detto esistono tre tipi di neutrini, uno per ogni famiglia di leptoni. La prima osservazione di un anomalo comportamento di queste particelle giunse studiando il flusso di neutrini elettronici provenienti dal Sole: ci si aspettava infatti di registrare un flusso maggiore di quello di fatto misurato. In altre parole, esisteva un deficit nel flusso di neutrini elettronici raccolti. Ad analoghi risultati si arrivò anche studiando flussi di neutrini provenienti da altre sorgenti, come quelli atmosferici o presenti all’interno dei reattori. Per spiegare questa apparente anomalia si ipotizzò il fenomeno noto come oscillazione di neutrini, secondo il quale i neutrini possono trasformarsi l’uno nell’altro mentre si propagano nello spazio. Il deficit derivava allora dal fatto che tutti gli esperimenti menzionati potevano registrare solo i neutrini di una certa famiglia: quelli non registrati non erano mancanti, ma si erano trasformati!

Successivamente la ricerca in questo campo è progredita. Partendo da un fascio iniziale di neutrini di una certa famiglia, gli esperimenti che si occupano di verificare gli effetti delle oscillazioni dei neutrini sono di due tipi: da un lato quelli pensati per rivelare l’apparizione di reazioni dovute a tipi di neutrini non presenti nel fascio iniziale; dall’altro quelli che verificano l’assenza di reazioni previste per il fascio iniziale. OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) è un esperimento del primo tipo. Il rivelatore si trova presso i laboratori del Gran Sasso. In esso si utilizza un fascio di neutrini muonici provenienti dal Cern di Ginevra e ci si propone di rivelare un tipo di reazione possibile solo grazie a un neutrino tauonico, prova diretta dell’avvenuta oscillazione dei neutrini muonici in tauonici. L’esperimento OPERA ha già registrato un evento di questo tipo ed è tutt’ora in presa dati.

Reazione studiata a MEG

3. A partire dalla verifica del fenomeno dell'oscillazione dei neutrini, l'esperimento MEG mira a identificare una violazione nella conservazione del numero leptonico in reazioni che coinvolgono l'elettrone e il muone.

L’esistenza del fenomeno delle oscillazioni appena esposto rimette in discussione il quadro teorico costruito qualche paragrafo fa, riguardo al numero leptonico e alla sua conservazione. Infatti, le oscillazioni tra neutrini di diversa famiglia avvengono senza che siano convolti i leptoni carichi corrispondenti ed è quindi ragionevole chiedersi se, anche nel settore dei leptoni carichi, siano possibili meccanismi che conducano a un’analoga violazione. Sono queste le basi per comprendere l’esperimento MEG, che utilizza proprio le particelle di cui parlavamo all’inizio: i muoni.

L’esperimento MEG

Schema di MEG

4. Schema del rivelatore MEG.

Nei pressi di Zurigo si trova il Paul Scherrer Institut (vedi Figura 1), il laboratorio confederale dove è stato realizzato il più intenso fascio continuo di muoni (fino a 3×108 muoni/s) al mondo, ottenuti dal decadimento dei pioni prodotti nell’interazione di protoni da 590 MeV su un bersaglio di grafite. È proprio qui che una piccola ma cosmopolita collaborazione ha assemblato e sta lavorando all’esperimento MEG, progettato per trovare il decadimento proibito: la disintegrazione di un muone in un elettrone e un fotone (μ → eγ), in luogo del normale decadimento in elettrone e due neutrini (μ- → e- νe ν*μ). La probabilità che questo avvenga secondo il Modello Standard è di 10-54, cioè praticamente nulla. Quindi il decadimento senza neutrini assume un’importanza strategica, perché va a sondare se e a quale livello le previsioni delle teorie Supersimmetriche e/o di Grande Unificazione, che rappresentano il possibile superamento delle limitazioni del Modello Standard, sono verificate sperimentalmente. Per raggiungere questo scopo si è dovuto migliorare molto la sensibilità degli esperimenti con un lungo e difficile lavoro: basti pensare che c’è voluto un quarto di secolo per migliorare di due ordini di grandezza, passando da 10-10 a 10-11. Il miglior limite oggi disponibile è stato raggiunto dall’esperimento MEGA alle soglie del 2000. L’ambizioso obiettivo di MEG è di fare un ulteriore passo avanti spingendo la sensibilità a 10−13, in una regione in cui vari modelli predicono l’esistenza di un segnale utile.

L’apparato sperimentale

Calorimetro di MEG

5. L'interno del calorimetro, dedicato alla rivelazione del fotone, durante l'assemblaggio.

L’apparato di MEG (vedi Figura 4) è molto diverso da quello che si usa in un tipico esperimento di alta energia, per esempio un collider. Tutto è stato progettato appositamente per la rivelazione di un fotone e di un positrone (l’anti-elettrone) da circa 50 MeV/c provenienti dal decadimento di un μ a riposo e per misurarne con la più alta precisone possibile le variabili cinematiche.

I muoni positivi del fascio, con impulso di circa 30 MeV/c (corrispondente a una energia cinetica di 4.5 MeV) e una intensità di circa 3×107 s-1 (pari a uno ogni 30 ns!) vengono fermati in un sottile bersaglio di polietilene in modo che il μ decada a riposo.

Il fotone viene rivelato nel calorimetro a Xenon liquido (LXe, vedi Figura 5), il rivelatore più innovativo di MEG dal punto di vista tecnologico e anche il più grande di questo tipo mai costruito, con il quale vengono misurati energia e tempo del fotone. 800 litri di materiale scintillante sono mantenuti a una temperatura di 16 K in una struttura di acciaio e alluminio (criostato) a forma di semitoroide trapezoidale (una C, per intenderci) che copre il 10% dell’angolo solido attorno alla direzione di volo del muone.

Il positrone da 52.8 MeV/c, emesso in direzione opposta rispetto al fotone, viene curvato dalle potenti spire del COBRA,uno speciale magnete superconduttore a gradiente di campo che spazza via i positroni di impulso inferiore dei decadimenti ordinari. Successivamente lascia i segni del suo passaggio in un delicato sistema di camere a deriva (vedi Figura 6), per andare infine a schiantarsi sul Timing Counter, un insieme di barre di scintillatore plastico, ognuna letta alle due estremità da fotomoltiplicatori, dove viene registrato con grande precisione il suo tempo di arrivo.

Camere a deriva di MEG

6. Le camere a deriva di MEG per la rivelazione del positrone.

Come si vede in linea di principio il compito sembra semplice e facilmente realizzabile. Bisogna però ricordare che occorre cercare un segnale debolissimo (se esiste) in un fondo sterminato (che esiste sicuramente!). Le ricerche precedenti ci dicono infatti che su cento miliardi di μ finora neanche uno ha mostrato segni di violare le previsioni del Modello Standard. Non basta essere ben equipaggiati per registrare il segnale, occorre anche essere in grado di discriminare tutti gli eventi di fondo che possono simularlo. Il fondo più pericoloso è quello cosiddetto accidentale, in cui un vero positrone e un vero fotone, provenienti da decadimenti di μ diversi, appaiono simultanei entro la risoluzione finita dell’apparato. Per questo la risoluzione in tempo gioca un ruolo cruciale nel risultato finale dell’esperimento. La conclusione: MEG ha migliorato la risoluzione temporale di un ordine di grandezza rispetto all’esperimento precedente, ottenendo la migliore prestazione finora raggiunte di 100 ps.

Conclusioni

MEG ha preso i primi dati nell’autunno del 2008 e continuerà fino al 2012.Ora si sta vivendo una fase interessantissima in cui proseguono le analisi dei dati già raccolti e ci si prepara alla nuova campagna di presa dati che sta iniziando proprio in queste settimane. Stay tuned folks! e… se son rose fioriranno!

Ringraziamenti

Ringrazio il prof. Giancarlo Piredda, capogruppo del gruppo MEG di Roma, per la parte finale dell’articolo, già preliminarmente pubblicata.

Note

  1. Ricordiamo che il primo acceleratore mai realizzato fu AdA, costruito grazie a un’idea del fisico austriaco Bruno Touschek nei laboratori di Frascati [1].
  2. Citazione di R. P. Feynman, premio Nobel per la Fisica nel 1965.
  3. Non posso non citare Feynman: “It doesn’t matter how beautiful your theory is, it doesn’t matter how smart you are. If it doesn’t agree with experiment, it’s wrong”. Non importa quanto sia elegante la tua teoria, non importa quanto tu sia intelligente. Se non è in accordo con gli esperimenti, è sbagliata.

Sull’autrice

Erica Chiaverini si è laureata in fisica presso l’Universita Sapienza di Roma con una tesi sulla rivelazione temporale del positrone nell’ambito dell’esperimento MEG. Ha collaborato con l’associazione Frascati Scienza e fa parte della redazione di Accastampato.

Bibliografia

  1. Gervasi Vidal K.A., Bruno Touschek tra motociclette eantiparticelle. In Accastampato, vol. 2 (set. 2010)
  2. Povh B. et al., Particelle e nuclei. Bollati Boringhieri (1998)
  3. Burcham W. e Jobes M., Nuclear and Particle Physics. Addison Wesley Longman (1995)
  4. Sito ufficiale di OPERA
  5. Sito italiano di MEG
  6. Sito internazionale di MEG
  7. Ultimo articolo pubblicato dalla collaborazione MEG

 

You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed. 1 Comment » Both comments and pings are currently closed.