Neutrini: cosa sono?
La fisica quantica sta facendo passi da gigante: finalmente abbiamo trovato una particella assai difficile da rilevare: il NEUTRINO.
Definizione, esperimenti, modello standard
In fisica delle particelle il neutrino è una particella subatomica elementare di massa piccolissima e carica elettrica nulla. Appartiene al gruppo dei leptoni e alla famiglia dei fermioni. Possiede elicità uguale a -1 (elicità sinistrorsa). Dopo esserne stato considerato per lungo tempo privo, alcuni esperimenti hanno mostrato che ha una massa da 100 000 a 1 milione di volte inferiore a quella dell'elettrone, con valore più probabile intorno a 0,05 eV/c2. I neutrini interagiscono solo con la forza nucleare debole e la forza gravitazionale, non risentendo né dell'interazione nucleare forte né dell'interazione elettromagnetica. Il nome neutrino fu coniato da Edoardo Amaldi durante una conversazione con Enrico Fermi all'Istituto di fisica di via Panisperna a Roma, come diminutivo scherzoso della parola neutrone, altra particella neutra molto più massiccia. Il termine fu poi adottato da Fermi in una conferenza a Parigi nel luglio 1932 e alla conferenza Solvay del 1933, dove fu utilizzato anche da Wolfgang Pauli, e da lì si diffuse nella comunità scientifica internazionale. 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.
Barra delle equazioni per i lettori più curiosi
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 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 ed 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 (1014g/cm³) da intercettare parte dei neutrini prodotti. Esistono tre tipi differenti di neutrino: il neutrino elettronico νe, il neutrino muonico νμ e il neutrino tauonico ντ, 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 tipi di neutrini aventi massa minore di 45 GeV e che interagiscano debolmente. La gran parte dell'energia di una supernova collassante viene irradiata in 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. Nell'ambito del Modello Standard (MS), si ipotizza che i neutrini esistano e che siano 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 per la materia oscura, ma con l'attuale conoscenza della loro massa possono contribuire solo per una frazione insignificante. Esistono diversi tipi di rivelatori di neutrini. Ogni tipo consiste di grosse quantità di materiale (necessarie a causa dell'elevata penetratività dei neutrini) posto in cave sotterranee che hanno lo scopo di schermare la radiazione cosmica.
Barra delle equazioni per i lettori più curiosi
- I rivelatori al cloro consistono di serbatoi riempiti di tetracloruro di carbonio (CCl4). In questi rivelatori un neutrino converte un atomo di cloro in uno di argon secondo la reazione
Il fluido viene periodicamente purgato con dell'elio che rimuove l'argon. La quantità di atomi di argon prodotta viene misurata tramite l'attività radioattiva del gas estratto (l'isotopo 37 dell'argon decade in cloro con un'emivita di 35 giorni). Lo svantaggio di questi rivelatori consiste nel fatto che non è possibile determinare la direzione del neutrino incidente, né la sua energia: l'unica informazione è il flusso medio, per di più su periodi dell'ordine del mese. Fu il rivelatore al cloro di Homestake, Dakota del Sud, contenente 520 tonnellate di CCl4, che rilevò per primo il deficit di neutrini provenienti dal sole e portò al problema dei neutrini solari. Questo tipo di rivelatore è sensibile solo ai neutrini elettronici νe. L'energia di soglia della reazione utilizzata in questi rivelatori (la minima energia che il neutrino incidente deve possedere per essere rivelato) è pari a 814 keV.
- I rivelatori al gallio sono simili a quelli al cloro dal punto di vista del funzionamento, ma più sensibili ai neutrini a bassa energia. Si basano sulla reazione
Anche in questo caso non si ottengono informazioni sulla direzione del neutrino. Tra questi rivelatori vale la pena di citare quelli utilizzati nell'esperimento GALLEX, poi diventato GNO, realizzato in Italia nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN, situati nel traforo del Gran Sasso d'Italia. I rivelatori ad acqua pura come il Super-Kamiokande contengono una grande massa d'acqua, circondata da rivelatori di luce detti "tubi fotomoltiplicatori". In questi rivelatori, il neutrino trasferisce parte della sua energia ad un elettrone, che in seguito all'urto si muove più velocemente di quanto faccia la luce in acqua (ma in ogni caso non più velocemente della luce nel vuoto). Questo genera una emissione ottica (in luce visibile), conosciuta come radiazione Čerenkov che può essere rivelata dai tubi fotomoltiplicatori. Questo rivelatore ha il vantaggio che il neutrino viene registrato in tempo reale ed è possibile raccogliere informazioni sulla sua traiettoria, andando a costruire una vera e propria mappa del cielo visto in neutrini. Fu questo tipo di rivelatore che registrò il flusso di neutrini provenienti dalla Supernova 1987a. Questo rivelatore è sensibile a tutti i tipi di neutrino, anche se con sezioni d'urto diverse (maggiori di un fattore 6 per i neutrini elettronici rispetto agli altri). Uno svantaggio di questo tipo di rivelatori consiste nell'elevata soglia (circa 5 MeV) in energia, dovuta all'impossibilità di rivelare l'emissione da elettroni colpiti da neutrini d'energia troppo bassa.
I rivelatori ad acqua pesante usano tre tipi di reazione per rivelare i neutrini. La prima è la stessa dei rivelatori ad acqua pura. La seconda implica la collisione del neutrino con un atomo di deuterio, con il conseguente rilascio di un elettrone. Nella terza il neutrino spezza in due l'atomo di deuterio. I risultati di queste reazioni vengono rivelati dai "tubi fotomoltiplicatori". Questo tipo di rivelatore opera al Sudbury Neutrino Observatory ed è in grado di rivelare tutti e tre i tipi di neutrino.
- L'esperimento OPERA invece si prefigge lo scopo di osservare direttamente il fenomeno di oscillazione (Neutrino Appereance) di neutrini di tipo muonico in neutrini di tipo tauonico. I neutrini muonici vengono prodotti dal progetto CNGS presso il CERN di Ginevra (Svizzera) ed inviati verso il sito dell'esperimento OPERA ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso. L'esperimento è composto da due supermoduli formati da un bersaglio e da uno spettrometro magnetico. Il bersaglio è composto da piani di scintillatori plastici, tra i quali sono inseriti dei mattoncini formati da pile di fogli di piombo (1 mm di spessore) e lastre di emulsione fotografica (grani del diametro di 1 micron). Quando un neutrino di tipo tau interagisce con un mattoncino del bersaglio, la particella tau prodotta viaggia per un breve tragitto nel bersaglio stesso (una frazione di millimetro, tipicamente) e successivamente decade in particelle più leggere, per esempio un muone ed una coppia di neutrini. L'analisi al microscopio delle tracce lasciate sulle emulsioni fotografiche dalle particelle cariche permette di ricostruire i vertici (primario e secondario) dell'evento. La massa di OPERA è di circa 1250 tonnellate. In cinque anni di presa dati, OPERA prevede di misurare un piccolo numero di tali eventi (circa 10-20, in funzione della differenza di massa tra i due tipi di neutrino) ma con una contaminazione dovuta al fondo estremamente bassa.
- Presso il Fermilab dal 1997 è stato avviato l'esperimento BooNE (acronimo di Booster Neutrine Experiment). Il primo esperimento rivelatore di neutrini è stato effettuato nel settembre 2002, e il primo esperimento per rivelatore di anti-neutrini è stato effettuato nel gennaio 2006.
- A Los Alamos, Stati Uniti, il Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) ha raccolto in sei anni di attività dati che offrono ulteriori prove a favore della teoria dell'oscillazione dei neutrini. In particolare, i dati suggeriscono che gli antineutrini muonici possono oscillare diventando antineutrini elettronici. Tale risultato è stato smentito dal successivo esperimento MiniBooNe.
Nelle mappe sottostanti: le varie istituzioni che hanno collaborato al progetto OPERA.
Opera e l'anomalia sulla velocità dei neutrini
Nel settembre 2011 i ricercatori che collaborano all'esperimento hanno pubblicato su arXiv un preprint in cui affermavano di aver trovato un'anomalia nel tempo di volo dei neutrini: essi infatti sembravano avere una velocità superiore a quella della luce. Nuove misure, pubblicate nel novembre dello stesso anno, ottenute grazie a fasci di neutrini più stretti e con una separazione temporale minore sembravano confermare i risultati ottenuti in precedenza, ma nel marzo 2012, durante un workshop tenuto presso i Laboratori nazionali del Gran Sasso, è stata comunicata la presenza di alcuni errori sistematici nell'apparato di misura (in particolare un'errata calibrazione dell'orologio atomico necessario per calcolare il tempo di volo dei neutrini e una cattiva connessione di una fibra ottica con il sistema GPS) che possono giustificare il valore anomalo della velocità dei neutrini. Un libro pubblicato nel 2017 traccia con grande dettaglio gli avvenimenti che hanno indotto in errore la collaborazione OPERA.
Sotto: la nostra galleria immagini
Nota: la colorazione dello sfondo è stata modificata per evidenziare alcuni particolari delle immagini