SCIS I neutrini soffrono di crisi di identità

In questi mesi, nuovi esperimenti sulla struttura più intima della materia hanno portato gli studiosi a focalizzare la loro attenzione sui neutrini, particelle estremamente sfuggenti, difficili da “accalappiare” e studiare perché hanno, tra le altre, la caratteristica di interagire in maniera debolissima con la materia circostante.

Tra i costituenti della materia, i neutrini fanno parte della famiglia dei leptoni, che si divide in due grandi gruppi: quello dei leptoni carichi (a cui appartiene l’elettrone) e quello dei leptoni neutri (a cui appartengono i neutrini).

Quark			Portatori
u (up)	c (charm)	t (top)	g (fotone)
d (down)	s (strange)	b (bottom o beauty)	g (gluone)
Leptoni
e	m	t	W (bosone W)
n_e	n_m	n_t	Z (bosone Z)
I neutrini si presentano in tre sapori, corrispondenti, secondo il Modello Standard, alle loro tre particelle cariche: elettrone, muone e particella tau. Secondo questo Modello, inoltre, i neutrini dovrebbero avere una massa pari esattamente a zero.

Perché interessa sapere se una particella che non ha alcuna influenza “pratica” sulla vita di tutti i giorni abbia effettivamente massa nulla o no, come i nuovi esperimenti svolti in Giappone sembrano indicare? L’interesse che caratterizza lo studio dei neutrini sta in alcune loro peculiarità, la più nota delle quali e’ senza dubbio la difficoltà nella determinazione della massa, la quale, per quanto piccolissima (vicina al limite della misurabilità) sembra essere non nulla, anche se fino a poco tempo fa era ritenuta esattamente nulla; questa caratteristica, come vedremo, potrebbe avere non poche influenze sulla concezione dell’universo che i fisici si vanno formando. Se la massa del neutrino fosse confermata, infatti, potrebbe sconvolgere sia le teorie che riguardano le forze fondamentali che quelle concernenti il futuro dell’universo, in quanto i neutrini darebbero un contributo non trascurabile ad uno dei problemi irrisolti della cosmologia moderna: il problema della massa mancante.

Altre stranezze che hanno contribuito, col tempo, a stuzzicare la curiosità degli studiosi, stanno nel fatto che i neutrini che dovrebbero provenire dal Sole (in base ai modelli delle reazioni termonucleari che gli studiosi di fisica hanno messo a punto) sembrano essere molti meno di quanto ci si aspetti (circa la metà!). La misura di questo deficit e’ un ulteriore importante traguardo raggiunto dalla ricerca italiana, grazie all’esperimento GALLEX svolto nei laboratori del Gran Sasso.

Il fatto che i neutrini in pratica non interagiscano con la materia da’ ai fisici ben pochi appigli per cercare di studiarli. Basti pensare che un fascio di neutrini potrebbe attraversare quasi del tutto indenne una lastra di piombo di 1 anno luce di spessore (1 a. l. = 9460 miliardi di km). Bisogna quindi cercare un modo di smascherare la loro presenza o, quantomeno, il loro passaggio: ogni secondo, infatti, circa 60 miliardi di neutrini attraversano 1 cm² di superficie terrestre.

La metodica piu’ utilizzata consiste nel sistemare immense vasche d’acqua (in Giappone, una di queste vasche ne contiene 50.000 tonnellate) al di sotto di strati di roccia molto profondi (tipiche, a tal proposito, le miniere abbandonate) per minimizzare i rischi di inquinamento dei dati dovuti a contaminanti quali i raggi cosmici. Queste vasche, poi, vengono tappezzate all’interno di rivelatori di luce Cerenkov, un particolare tipo di radiazione elettromagnetica (una luce, appunto) che si forma dall’interazione di un neutrino con un protone costituente di una molecola d’acqua. Tale lampo si presenta sotto forma di cono di luce che, proiettato sulla parete della vasca tappezzata di rivelatori, ne “eccita” un certo numero originando una figura ad anello. Questo anello può essere nettamente delimitato (in questo caso il “colpevole” e’ un neutrino muonico, che nell’urto produce una particella, detta muone, che proietta il cono) o un po’ sfuocato (in questo caso e’ un neutrino elettronico, che origina un’immagine sfuocata dell’anello poiché produce anche molte particelle “parassite”, quali elettroni e positroni; questi generano ognuno il proprio piccolo cono Cerenkov, che si sovrappone a quello degli altri sfuocando l’immagine; v. figura).

Alcuni esperimenti, quali il Kamiokande (dal nome della miniera Giapponese nella quale e’ stata sistemata la gigantesca vasca summenzionata), hanno osservato, inoltre, una riduzione, rispetto a quello previsto, del numero di neutrini che si formano in atmosfera per interazione dei nuclei costituenti le “molecole d’aria” con i raggi cosmici.

Questi, infatti, producono, interagendo con l’atmosfera, neutrini secondo una ben precisa catena di reazioni: un raggio cosmico (di solito un protone, ma non solo) colpisce un nucleo atmosferico producendo una pioggia di particelle note ai fisici come pioni, le quali decadono in muone + neutrino muonico: il muone, a sua volta, decade in 1 elettrone + 1 neutrino elettronico + 1 neutrino muonico. A questo punto, conoscendo il numero di raggi cosmici che colpiscono l’atmosfera in un secondo e la quantità di pioni e muoni che si formano, si può stimare il numero di neutrini che si dovrebbero osservare e confrontarli con quelli effettivamente osservati.

Seguendo la schematica catena di reazioni vista su, quindi, si dovrebbero osservare 2 neutrini muonici per ogni neutrino elettronico. Contando per mesi i neutrini che generavano risposte nei rivelatori, al Kamiokande hanno scoperto un rapporto tra neutrini muonici ed elettronici di 1,3:1, e non di 2:1. Già questo fatto potrebbe far pensare ad una “crisi di identità” del neutrino, che si trasforma da un “sapore” all’altro (precisamente, da neutrino muonico a neutrino tau).

Inoltre, alcune considerazioni sulla geometria di queste collisioni fanno ritenere che il numero di neutrini che si osservano provenire “da sopra” il laboratorio e quelli che si osservano provenire “da sotto” il laboratorio (ricordiamo che i neutrini attraversano tutto il pianeta senza minimamente risentirne, e quindi è possibile osservare neutrini prodotti dalle interazioni tra raggi cosmici ed atmosfera “dall’altra parte del mondo”) dovrebbe essere all’incirca uguale (rapporto 1:1). Invece, il SK ha osservato un numero di neutrini muonici provenienti dall’altro lato del globo (quindi dal basso) pari alla metà di quelli provenienti dall’alto: è questa un’altra indicazione della già citata “crisi di identità” del neutrino: sembra, infatti, che la probabilità di osservare l’uno o l’altro sapore dipenda dalla distanza che queste particelle percorrono dal momento della loro formazione.

Verificare l’ipotesi che questi dati sembrano confermare richiede un esperimento nel quale si possa essere certi sia della quantità dei neutrini muonici che colpiscono il rivelatore sia del loro sapore (cioè del loro tipo). Tale esperimento e’ stato ideato sia dagli scienziati del SK che da quelli del CERN di Ginevra e dei laboratori di fisica del Gran Sasso (l’esperimento ICARUS), ma e’ stato realizzato prima al SK. In sostanza, si tratta di sparare con un acceleratore una quantità nota di neutrini muonici verso un rivelatore ed osservare il tipo di evento che in questo si origina.

In Giappone e’ stato utilizzato un acceleratore di particelle denominato KEK, che si trova a circa 250 km dal rivelatore Superkamiokande. Questo acceleratore è in grado di “sparare” verso il SK un fascio di neutrini muonici con energia e direzione conosciute. Per controllare i risultati dell’esperimento è stato posto, nelle immediate vicinanze di questo acceleratore, un rivelatore simile a quello del Sk. In questo modo il fascio è intercettato sia quando è appena partito che quando arriva al SK; eventuali differenze sarebbero la prova di un’oscillazione dei neutrini. Ebbene, dopo un anno di “fuoco”, mancano all’appello circa il 30% dei neutrini muonici attesi.

Questo risultato sembra confermare la trasformazione da un tipo di neutrino (il muonico) ad un altro (il tauonico) durante il tragitto; l’oscillazione del neutrino muonico, o, se preferite, la sua “crisi d'identità” e’, però, un meccanismo che può esistere solo ammettendo che questa eterea particella sia dotata di una seppur minima massa, ricavabile dalla misura esatta dell'entità dell’oscillazione. Valutazioni del tutto preliminari indicano una massa per il neutrino compresa tra 0,03 e 0,1 eV (ecco un’altra stranezza della fisica: misurare una massa non in multipli di grammo, ma in multipli di carica energetica; non e’ tanto strano, però, se si pensa alla teoria della relatività, vicina al suo centesimo compleanno: la formula E=mc² sancisce, infatti, l’equivalenza tra massa ed energia). Si pensi, per avere un termine di paragone, che la massa del piccolo elettrone e’ all’incirca dieci milioni di volte maggiore!