L’esistenza del neutrino fu postulata per la prima volta nel 1930 dal fisico austriaco Wolfgang Pauli, uno dei padri della meccanica quantistica, per spiegare il fenomeno dello spettro continuo del cosiddetto decadimento β. Un decadimento è un processo fisico nel quale una particella perde la sua natura trasformandosi in altre particelle più piccole. La differenza tra la massa della particella che decade e la somma delle masse delle particelle prodotte è trasformata in energia di queste ultime, che non sono quindi ferme ma in movimento.

Figura 1 - Rappresentazione grafica del decadimento β. Clip art da www.nipic.com.

Nel decadimento β un neutrone, particella che vive nei nuclei degli atomi insieme al protone, si trasforma in un protone e un elettrone. Quest’ultimo, essendo molto più piccolo dei primi due, trasporta la maggior parte dell’energia data dalla differenza delle masse e quindi viene espulso a grande velocità. Per questo motivo è l’elettrone a essere osservato nel decadimento: in questo caso prende il nome di raggio β.
Possiamo immaginare il tutto come una bottiglia di spumante che viene stappata. La bottiglia integra rappresenta il neutrone, il tappo e la bottiglia sono rispettivamente l’elettrone e il protone. Quando si stappa lo spumante, il tappo schizza via mentre la bottiglia, a causa del suo peso, resta praticamente ferma, come raffigurato schematicamente in Figura 1.
Per via di questo fenomeno l’energia con cui viene espulso l’elettrone nel decadimento β dovrebbe essere sempre uguale e di poco inferiore alla differenza di massa tra il neutrone iniziale e il protone finale. Tuttavia i fisici che studiarono questo processo all’inizio del XX secolo notarono che le energie degli elettroni prodotti in queste reazioni non sono concentrate attorno a un unico valore, ma sono distribuite su un insieme ampio, ciò che in fisica viene detto spettro continuo.

Questo risultato si spiega facilmente se si ammette la produzione di un’ulteriore particella leggera come (o più) dell’elettrone: l’energia liberata metterebbe infatti in modo entrambe le particelle prodotte, distribuendosi in maniera sempre diversa tra l’una e l’altra (cfr. Figura a lato). Fu proprio questa ipotesi che avanzò Pauli nel 1930.
Quest’eventuale particella deve soddisfare alcuni requisiti: essere elettricamente neutra, altrimenti si vedrebbe come prodotto del decadimento assieme all’elettrone, dato che le particelle cariche sono facilmente osservabili perché interagiscono elettricamente con gli atomi della materia; essere piccola almeno quanto l’elettrone. Per queste ragioni Enrico Fermi, che a lungo studiò i decadimenti β, la battezzò neutrino, ovvero una versione molto piccola del neutrone. In realtà, come venne alla luce poi, il neutrino è una particella molto diversa non solo dal neutrone, ma anche da qualsiasi altra particella conosciuta.

Scoperta del neutrino

Dagli studi di Fermi del 1934 dovettero passare ben 26 anni prima che il neutrino fosse effettivamente scoperto. Nel 1956, infatti, i fisici Clyde Cowan e Fred Reyes nel corso di un esperimento eseguito presso il reattore a fissione di Savannah River, nel sud-est degli Stati Uniti, osservarono reazioni indotte da neutrini liberi.
Il motivo di questo ritardo sta nel fatto che i neutrini non solo sono immensamente più piccoli di neutroni e protoni, ma sono molto più piccoli anche degli stessi elettroni. In effetti le masse dei neutrini sono a tutt’oggi sconosciute, ma si sa per certo che non superano la cinquantamillesima parte della massa dell’elettrone (o la centomilionesima parte della massa del protone e del neutrone). Come se non bastasse, delle tre forze fondamentali della fisica delle particelle (Forte, Debole ed Elettromagnetica), che insieme alla gravità costituiscono tutte le forze esistenti, i neutrini sono coinvolti solo nella più debole delle tre (la Forza Debole appunto), mentre sono insensibili alle altre due. Questo fatto, oltre a rendere i neutrini particelle uniche, fa sì che siano estremamente sfuggenti. Per capire l’entità di quanto detto bisogna pensare che occorrerebbe un ipotetico muro di piombo spesso un anno-luce per fermare solo la metà dei neutrini che lo attraversano!
Com’è possibile quindi vedere queste inafferrabili particelle? La risposta è molto semplice: bisogna avere un enorme apparato sperimentale e tantissimi neutrini, aspettando che una piccolissima parte di essi interagisca con la materia di cui è composto l’apparato, venendo quindi osservata. È quello che fecero Cowan e Reines mettendosi vicino a una centrale nucleare, dove vengono prodotti ogni giorno miliardi di neutrini. È quello che si fa anche oggi, con fasci intensissimi di neutrini prodotti in grandi acceleratori di particelle come quello del CERN in Europa, del Fermilab negli Stati Uniti o di Tokai in Giappone.

Sorgenti di neutrini

Oltre alle sorgenti artificiali di neutrini a cui abbiamo accennato (i reattori termonucleari e gli acceleratori) ne esistono anche e soprattutto di naturali. I neutrini vengono infatti prodotti in grande quantità nel Sole (che è in effetti un gigantesco reattore nucleare) o nelle esplosioni di supernovae, oppure sono prodotti nell’atmosfera dai raggi cosmici¹. Esiste inoltre un’enorme quantità di neutrini prodotti durante il Big Bang che viaggiano ancora indisturbati nello spazio, il cosiddetto fondo cosmico di neutrini, ma anche un discreto numero di neutrini provenienti da decadimenti nella roccia naturale del sottosuolo, il fondo geologico di neutrini. In verità siamo invasi dai neutrini, specialmente da quelli solari: ogni secondo, infatti, per ogni centimetro quadrato della superficie terrestre (ma anche della superficie del nostro corpo) passano 65 miliardi di neutrini provenienti dal Sole! Il problema di questi neutrini naturali è che trasportano molta meno energia di quelli da reattore. Poiché la probabilità che interagiscano con la materia dipende proprio dalla loro energia, questo fa sì che siano ancora più difficili da vedere, richiedendo una tecnologia molto sofisticata per la loro identificazione. Per questo motivo la fisica dei neutrini solari ha dovuto aspettare gli anni Sessanta del ’900 per vedere la luce. Anche i neutrini del fondo cosmico, benché abbiano un flusso molto elevato, sono a tuttora invisibili per via della loro bassissima energia, mentre le misure recenti sul fondo geologico, anch’esso di difficile rilevazione, stanno aprendo frontiere pionieristiche alle ricerche sulla struttura interna della Terra.

Figura 2 - Aspetto tipico di un rivelatore di neutrini sotterraneo. In questo caso si tratta del Sudbury Neutrino Observatory in Ontario, Canada. Da interactions.org

Neutrini in vari sapori

Quanto detto finora basta per capire come i neutrini siano particelle uniche tra tutte quelle conosciute e perché un grande numero di fisici influenti abbia dedicato parte della propria carriera al loro studio, che finora è valso l’assegnazione di ben tre premi Nobel nel 1988, 1995 e 2002. Non abbiamo però ancora parlato del fenomeno più particolare che caratterizza queste particelle: il fenomeno dell’oscillazione dei neutrini.
Per cominciare, non esiste un solo tipo di neutrino, ma ben tre.
Nel 1962, infatti, i tre fisici Leon Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinberg scoprirono l’interazione del neutrino muonico, ovvero il neutrino che viene prodotto assieme al muone (o μ), una particella del tutto simile all’elettrone, ma circa 200 volte più massiva. Si tratta di un processo del tutto analogo a quello del vecchio neutrino (che da ora sarà identificato come neutrino elettronico), che viene prodotto insieme all’elettrone nel decadimento β. Nel 1975 una terza particella simile, ma più grande di muone ed elettrone, venne scoperta e chiamata tauone (o τ) e tutti credettero che sarebbe stato presto trovato il suo rispettivo neutrino, cosa che puntualmente avvenne nel 2000. La particolarità delle tre famiglie di neutrini associate ai diversi leptoni (così vengono chiamati insieme elettrone, muone e tau) è che ogni tipo diverso di neutrino viene creato solo insieme al proprio leptone di riferimento e interagisce prevalentemente con esso.
Il motivo di ciò sta nell’esistenza di due diversi tipi di interazione debole, che come abbiamo detto è l’unica forza fondamentale che coinvolge i neutrini: una più probabile, detta di Corrente Carica, sensibile alla famiglia della particella; l’altra, detta di Corrente Neutra, insensibile alla famiglia della particella. In altre parole i neutrini di una famiglia interagiscono con i leptoni della stessa famiglia in Corrente Carica e, meno frequentemente, con tutti e tre i leptoni in Corrente Neutra. Le tre famiglie (elettrone e neutrino elettronico, muone e neutrino muonico, tauone e neutrino tauonico) sono chiamate in fisica flavour, che si traduce in italiano come sapore.

Figura 3 - Rappresentazione logica del fenomeno dell'oscillazione dei neutrini.

Oscillazione dei neutrini

Il fenomeno dell’oscillazione del neutrino, di cui vediamo una schematizzazione in Figura 3, si inserisce in questo contesto. Quello che si osserva è che neutrini di una famiglia durante la loro vita non restano tali, ma possono trasformarsi in neutrini di un’altra famiglia. Si tratta di un fenomeno di meccanica quantistica simile all’interferenza della luce, la cui comprensione ha richiesto un intenso e lungo lavoro di una parte della comunità della fisica delle particelle. Tutto cominciò verso la fine degli anni ’60, quando alcuni fisici guidati da Raymond Davis e John Bahcall decisero di studiare nella miniera di Homestake, negli Stati Uniti, i neutrini provenienti dal Sole. Essi notarono che il flusso di neutrini che arrivava a terra era circa un terzo di quello che si aspettavano dalle loro conoscenze sulle reazioni termonucleari che avvengono nel Sole, dando vita a ciò che allora venne chiamato il problema dei neutrini solari. Lo stesso risultato fu più o meno confermato da altri esperimenti che seguirono per indagare sui risultati di Homestake, tra cui un esperimento italiano posto nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso chiamato GALLEX.
Il motivo della discrepanza che tutti riscontrarono tra numero di eventi osservati e numero di eventi aspettati risiedeva nel fatto che si osservavano le interazioni dei neutrini del Sole con gli elettroni contenuti nei rivelatori e si era quindi in grado di vedere tutti i neutrini interagenti in Corrente Neutra, ma solo i neutrini di tipo elettronico interagenti in Corrente Carica. I neutrini prodotti nel Sole sono sì tutti di tipo elettronico, ma il fenomeno dell’oscillazione fa sì che alcuni di essi si trasformino in neutrini muonici e tauonici, che non possono interagire in Corrente Carica con gli elettroni a terra, ma solo in Corrente Neutra che, come abbiamo detto, ha una frequenza minore.
Prima di ipotizzare il fenomeno dell’oscillazione del neutrino però ci volle del tempo. Inizialmente infatti molti pensarono a errori nel modello solare che prevedeva il numero di neutrini prodotti nella stella. Fu grazie all’esperimento SNO (Sudbury Neutrino Observatoryi, visibile in Figura 2), che operò in Canada a partire dal 1999, che il problema dei neutrini solari ebbe la sua soluzione definitiva. L’esperimento SNO, infatti, fu il primo a poter distinguere gli eventi in Corrente Neutra da quelli in Corrente Carica, mostrando che i primi erano compatibili con le ipotesi sulle reazioni del Sole, mentre solo i secondi mostravano un numero minore di dati per via del cambiamento di famiglia dei neutrini elettronici del Sole, ovvero per l’oscillazione di tali neutrini.

La ricerca sui neutrini oggi

La scoperta dell’oscillazione del neutrino ha chiuso il problema dei neutrini solari, ma ha aperto dibattiti più numerosi e complessi. Oltre infatti alle molte questioni ancora aperte, tra cui le masse dei neutrini che a tuttora restano sconosciute, si è avviata la ricerca dei parametri che regolano l’oscillazione, che sono molti e di non facile determinazione. I neutrini, poi, sono un punto cruciale per l’Astrofisica, e lo studio delle loro caratteristiche influisce su alcune importanti questioni della cosmologia attuale. Si tratta di un panorama molto ampio che costituisce una delle principali linee di ricerca della fisica delle particelle elementari e di cui troverete alcuni punti fondamentali nel seguito di questo numero.

Note

1. I raggi cosmici sono particelle di vario tipo provenienti dallo spazio che interagendo con l’atmosfera possono produrne altre, creando sciami di particelle che arrivano fin sulla superficie terrestre.[torna su]

Sull’autore

Alessandro Minotti si è laureato in Fisica presso l’Università Sapienza di Roma nel 2009.

Bibliografia

Sito ufficiale dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso