Il neutrino trasformista.

Secondo il Modello Standard, che rappresenta oggi la “mappa” della fisica delle particelle,  il neutrino non dovrebbe essere dotato di massa. A livello sperimentale tuttavia, ben presto sono cominciati a emergere risultati che facevano sospettare che la massa del neutrino non fosse in realtà nulla, anche se è comunque molto molto piccola.
Non solo. Una serie di osservazioni hanno rilevato che cambiava “identità”, cioè mutava di caratteristiche.

Il Premio Nobel per la Fisica 2015 è stato assegnato al giapponese Takaaki Kajita e al canadese Arthur B. McDonald, per il loro contributo chiave agli esperimenti che hanno dimostrato l’oscillazione (cambiamento) del neutrino.
Questa metamorfosi richiede che i neutrini abbiano massa: questa scoperta ha cambiato la nostra comprensione dei meccanismi più intimi della materia e può rivelarsi cruciale per la nostra visione dell’universo.

I giornali hanno parlato molto dei neutrini ultimamente, ma qualcuno di voi ha capito realmente cosa sono i neutrini, a cosa servono e cosa significa che i neutrini oscillano?

Ai miei amici al bar non interessa un fico secco, nulla di tutto questo. D’altra parte l’argomento è complicatuccio, li capisco. E così me ne ritorno a casa e scrivo, a qualcuno potrebbe interessare, non si sa mai.

Bene, allora comincio. Dall’inizio come sempre.

I neutrini nella teoria del Big Bang
La Teoria del Big Bang è ancora oggi considerata la più attendibile tra tutte quelle proposte come base per capire da dove veniamo, ma non spiega da cosa è nata la materia iniziale.
In poche parole spiegherebbe l’espansione dell’Universo, ma non perché si è formata e quindi accumulata materia. Infatti una solida teoria della fisica afferma che si deve sempre ottenere una particella presente in natura dall’inversione della carica o delle coordinate spaziali di un’altra particella esistente. Quindi per ogni particella di materia dovremmo avere una particella di antimateria, cosa che avrebbe dovuto portare all’annullamento del tutto.
Invece la materia si è accumulata: perché?

I neutrini possono ‘interconvertirsi’ spontaneamente da una delle loro tre forme ad un’altra (neutrini muoni, elettroni e tau), e questo potrebbe spiegare perché il Big Bang avrebbe creato in misura diversa materia e antimateria.

Per capire come stanno le cose partiamo da una recente notizia (16/7/2015).
Dopo un viaggio di 730 km sotto terra i neutrini muonici prodotti al CERN di Ginevra hanno viaggiato verso il laboratorio sotterraneo del Gran Sasso in Italia trasformandosi in neutrini tau.

Lette queste poche righe e immaginando cosa le aspetta, forse anche le poche casalinghe e i pochi maschietti collegati sono scappati via.
Pazienza.

Ma vado avanti lo stesso.
Era il 1957 quando il fisico italiano Bruno Pontecorvo elaborò una teoria secondo la quale queste particelle neutre, piccolissime, dette neutrini ed esistenti in natura in tre diversi ‘‘sapori” (elettronico, muonico e tauonico) potevano trasformarsi una nell’altra durante la loro propagazione. È questa trasformazione a essere chiamata “oscillazione”.

Negli ultimi trent’anni, i risultati di diversi esperimenti hanno confermato l’esistenza di questo fenomeno, osservando la scomparsa di una frazione significativa di neutrini di un certo sapore rispetto a quanto atteso. I neutrini scomparsi dovevano essersi trasformati in neutrini di altro tipo. Tuttavia, per dimostrare senza ambiguità che effettivamente si trattasse di oscillazione e non di qualche altro fenomeno, era necessario un esperimento in cui la trasformazione di un neutrino di dato sapore in un neutrino con sapore diverso potesse essere osservata direttamente. Da qui nasce l’idea dell’esperimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus).

L’esperimento internazionale OPERA  ai Laboratori del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ha rivelato cinque neutrini di tipo tau nel fascio di neutrini mu proveniente dal centro di ricerche di Ginevra.
L’osservazione diretta della transizione o trasformazione da neutrini muonici a neutrini tau ha ora raggiunto per la prima volta la precisione statistica di 5 sigma, il livello richiesto per una scoperta nella fisica delle particelle elementare.
E’ la conferma del fenomeno del cambiamento di “sapore” (o famiglie) dei neutrini quando oscillano viaggiando attraverso la materia su lunghe distanze.

Ok, detta così, avrebbe ragione la massaia di Verona a dire di non aver capito nulla. Allora forse è il caso di spiegarla un po’meglio. Altrimenti qui ci restiamo realmente solo io e il mio cane.

Cosa sono i neutrini, perché si trasformano, cos’è questa quinta interazione? E soprattutto cos’è questo neutrino tau? Perché è così importante questo risultato?
Bene, ogni cosa a suo tempo.

Cosa sono i neutrini?
I neutrini sono ormai le star della fisica delle particelle.  Sono così elusive da affascinare e impegnare i fisici fin da quando vennero teorizzate all’inizio degli anni trenta.

Diciamo subito che i neutrini sono particelle piccolissime con carica nulla. Una trottola fatta di niente! Ma molto comune nel nostro Universo!
Sono considerate particelle elementari. Le particelle elementari sono i più semplici componenti della materia, però non fanno parte degli atomi che compongono la materia.
Per farmi capire meglio, gli atomi del nostro corpo non sono fatti di neutrini.

Allora qualcuno si starà domandando perchè sono importanti.
La migliore risposta sta nel continuare a leggere.

I neutrini interagiscono debolmente con la materia tanto da attraversare la Terra come se non esistesse. Ci vorrebbe un muro di piombo spesso un anno luce per bloccare la metà dei neutrini che lo attraversano.
Gli scienziati non sono ancora riusciti a misurare con precisione la massa di un neutrino ma, si stima, potrebbe essere da 100 mila a 1 milione di volte più piccola di quella di un elettrone. Che, a sua volta, ha una massa circa 2 mila volte più piccola di quella dei protoni e dei neutroni. Insomma, stiamo parlando di grandezze e numeri così assurdi che sono quasi impossibili da comprendere!
La massa, è bene ricordarlo, è la grandezza fisica che determina il comportamento dei corpi materiali quando sono sottoposti a forze esterne.

Chi produce i neutrini?
Un secondo dopo il Big Bang l’enorme numero di neutrini prodotti nell’immane esplosione cominciò liberamente a propagarsi nello spazio. Oggi, di quei neutrini vecchi quasi 14 miliardi di anni, ve ne sono ancora circa 300 in ogni centimetro cubo di spazio! Gli scienziati li chiamano per questo “neutrini fossili”. L’energia di questi neutrini fossili è però estremamente bassa e per questo motivo sono attualmente impossibili da rivelare.

Ad esclusione del Sole, i neutrini prodotti da tutte le Stelle giungono sulla Terra con una intensità molto debole a causa dell’enorme distanza che le separa. Un’eccezione è costituita dall’esplosione delle Supernovae, stelle massive che, dopo aver esaurito il loro combustibile nucleare, collassano ed esplodono. Esse emettono un’enorme quantità di energia sotto forma di luce, di materia e di neutrini. Una supernova che esplode emette in un minuto l’energia emessa dal Sole in duecento anni. Per giorni, rimane l’oggetto più splendente della notte! Solo lo 0.1% dell’energia dell’esplosione va in luce, il 99.9% va in neutrini! La supernova, poi,  si trasforma in una stella di neutroni o pulsar.

Ora, siccome i neutrini vengono prodotti in una grande varietà di decadimenti e interazioni dalle stelle ed hanno una vita lunghissima, forse per sempre, si capisce la importanza di questo elemento che abbonda nello spazio e se ha massa, pur piccola, può costituire una quota importante della materia nell’universo.
Ed abbiamo così risposto anche all’ultima domanda: a che servono i neutrini.

SCOPERTA DEI NEUTRINI
A questo punto abbiamo capito cosa sono i neutrini,  chi li produce, e perchè sono importanti. Sappiamo anche in quali famiglie si trasformano.
Non ci rimane (per i più interessati) che capire come sono stati scoperti e come è stato scoperto il loro trasformismo.

Scoperta del neutrino “e”
L’esistenza del neutrino venne ipotizzata analizzando (1930 dal fisico austriaco Wolfgang Pauli) il decadimento (riduzione in frammenti più piccoli) nei reattori del neutrone in un elettrone ed un protone. Il neutrone (per chi ha poca familiarità) compone il nucleo degli atomi.
Per la sua scoperta sperimentale bisogna aspettare fino al 1956. Il nome di neutrino gli fu attribuito dal fisico italiano Fermi.
Fin qui ci siete?

Bene, è stato osservato che la somma della quantità di moto (massa in movimento) dell’elettrone e del protone non è uguale alla quantità di moto del neutrone di partenza, per cui è necessario che ci sia qualche altra particella coinvolta in questo decadimento, che renda ragione della quantità mancante.
Successivi esperimenti hanno rilevato la esistenza di una particella invisibile poi chiamata neutrino.
Dal momento che esso è associato alla emissione dell’elettrone è stato chiamato neutrino elettronico.

n → p⁺ + e^– + ν_e

Scoperta del neutrino “mu”
Premessa importante: i “muoni” sono, dopo gli elettroni, le particelle cariche più leggere e perciò ciascuno di essi può decadere soltanto in un elettrone e in altre particelle di carica complessiva nulla.
Dallo scontro delle radiazioni cosmiche quando entrano in contatto con l’alta atmosfera terrestre vengono prodotte delle particelle con vita brevissima (muoni, che vanno ad una velocità prossima a quella della luce) perché decadono (cioè muoiono) trasformandosi in un elettrone, un antineutrino elettronico e in un’altra misteriosa particella: il neutrino muonico.

µ^– → e^– + ν_e + ν_µ

La scoperta del neutrino “tau”
Da questa evidenza Pontecorvo fece l’ipotesi delle oscillazioni del neutrino. Siamo nel 1962.

Nella architettura così com’è descritta dalla teoria standard della teoria delle particelle il neutrino tau era l’ultimo tassello mancante, l’unico dei “blocchi” fondamentali della teoria per cui mancava la conferma sperimentale definitiva. (Più in là capirete  il significato dei “blocchi”).
Diversi esperimenti effettuati da numerose collaborazioni internazionali confermarono l’evidenza del fenomeno noto come “oscillazione di sapore” dei neutrini, un fenomeno che fa mutare la particella da una “famiglia” ad un’altra.
In altre parole il neutrino oscilla cambiando pelle. Una trasformazione spontanea di un neutrino di una famiglia in un neutrino di un’altra.
Tutto chiaro fin qui?

Prima di proseguire c’è da fare un’altra premessa importante (il motivo lo scoprirete a breve).
Il “tauone” o particella tau è una particella della materia di terza generazione praticamente identico all’elettrone e decade rapidamente in particelle più leggere. Ad essa è associata un’antiparticella ed un neutrino.

Il neutrino tau o neutrino tauonico viene creato quando un tauone decade in una particella più leggera.

Per scovarlo c’è voluto il rivelatore OPERA, un gigante di circa 4000 tonnellate, di 2000 m3 di volume e nove milioni di film fotografici. Qui una piccola frazione dei neutrini che sopraggiungono hanno interagito con il rivelatore, producendo delle particelle che poi vengono osservate.
Dopo aver rivelato i primi neutrini muonici prodotti al CERN nel 2006, l’esperimento ha preso dati per cinque anni, dal 2008 alla fine del 2012. Il primo neutrino tau è stato pubblicato nel 2010. Il secondo e il terzo sono stati riportati rispettivamente nel 2012 e nel 2013. Il quarto è stato pubblicato nel 2014. In perfetto accordo con le previsioni teoriche.
Ora l’esperimento OPERA ha rilevato la quinta interazione di neutrino tau.

Mistero della massa del neutrino
Abbiamo già detto che il neutrino ha una massa fatta quasi di niente. Ma qual’è il valore di questo niente? Perché è così difficile quantificarla?

Esistono diversi metodi per scoprire sperimentalmente se il neutrino possiede o no una massa, ma si tratta sempre di metodi di difficile applicazione pratica e tali da richiedere l’utilizzo di apparecchiature molto sensibili.
Non la faccio lunga. Di sicuro sappiamo che a seconda dei numeri quantici (ovvero del loro sapore) possiamo avere tre tipi diversi di neutrini. Ma della loro massa gli scienziati sanno dare fondamentalmente solo delle stime approssimative e porre dei limiti inferiori e superiori riguardanti la somma delle masse dei tre possibili stati in cui un neutrino si può manifestare.
Questi numeri si ricavano dalla teoria e dai risultati di alcuni esperimenti sui quali è bene sorvolare.
C’è da dire, per la precisione, che ad un neutrino possa essere associata la propria antiparticella (antineutrino) non è tuttavia contemplato dal Modello Standard.

Il mistero del numero dei neutrini e delle loro velocità
Finora si supponeva esistessero tre tipi (o “sapori” o “famiglie”) di neutrini, detti neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tau e indicati coi simboli ν^e, ν^μ, v^t.

In più, dato che ogni particella possiede una corrispondente antiparticella, dovremmo avere sei tipi di neutrini. Le conoscenze attuali sono però tutt’altro che definitive. Allora quanti tipi di neutrini esistono, tre, sei oppure uno?

E un’altra importante questione riguarda la sua energia cinetica: a quale velocità viaggia? Le informazioni a questo riguardo sono contrastanti e sembrano riservare importanti e rivoluzionarie sorprese.
Una cosa è certa, non viaggiano a velocità superluminale, ovvero a velocità maggiore della luce, come erroneamente un esperimento aveva rilevato. Ma questo, tanto basta per dire che la loro velocità è prossima a quella della luce. Ed allora sorge un vecchio dilemma, perche la sua massa non tente all’infinito come previsto dal fattore di Lorenz? Qual’è la sua reale massa a riposo?

Vita dei neutrini
L’argomento è estremamente complicato.
Sappiamo che per  decadimento si intende  la trasformazione di una particella in altre particelle. E’ quello che succede anche ai neutrini.

Il decadimento β è un tipo di decadimento radioattivo, ovvero una delle reazioni nucleari spontanee attraverso le quali elementi chimici radioattivi si trasformano in altri con diverso numero atomico.

L’unico decadimento che può dare risposte sulla natura del neutrino e’ un decadimento raro chiamato “Doppio Decadimento Beta senza neutrini”.
Il doppio decadimento beta (DBD) è un decadimento radioattivo raro in cui un nucleo decade in un altro con stesso numero di massa.

Non sto a spiegare, perché è materia che sfugge alle mie conoscenze. Ma mi sono informato. Posso dire, semplificando le cose, che in un decadimento doppio beta normale, metà di un campione decade nel giro di 10²¹ anni, un tempo miliardi di volte superiore alla vita dell’universo.

L’assenza di un segnale di doppio decadimento beta senza neutrini in sette mesi di osservazione da parte degli scienziati ovviamente non esclude la possibilità del processo, tuttavia permette di escludere possibili valori per il tempo di dimezzamento del processo, che a questo punto non può essere inferiore a 1,6 × 10²⁵ anni.

Non so se avete idea di quanti anni sono  1,6 × 10²⁵ anni e tutto sommato non è necessario che lo abbiate capito. Quello che c’è da capire è che stiamo parlando  di una vita del neutrino superiore all’età dell’universo.

Presente e futuro della fisica dei neutrini
L’attuale scenario della fisica del neutrino evidenzia il grande progresso ottenuto in 70 anni di ricerche, dal momento della sua nascita ad oggi.
Tuttavia, molti sono ancora i misteri e gli affascinanti interrogativi legati a questa elusiva particella:
– Si riuscirà ad evidenziare una massa per il neutrino mediante misure cinematiche dirette?
– Sono le oscillazioni di neutrino la causa del deficit dei neutrini solari e atmosferici?
– Contribuiscono i neutrini al puzzle della Materia Oscura dell’Universo?
– Esistono sorgenti cosmiche di neutrini di altissima energia, ovvero si realizzerà il sogno dell’astronomia con neutrini?
– Riuscirà infine il neutrino a svelare tutti i suoi misteri e ad aiutarci a rispondere alle domande sull’origine dell’Universo e sulla sua evoluzione?

Questi formidabili interrogativi saranno affrontati nei prossimi anni con ambiziosi progetti di ricerca teorica e sperimentale da parte di gruppi di ricercatori in Italia e in tutto il mondo.

(fonte: Le Scienze)

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