Cosa sono i neutrini?
Scienza e Fisica Quantistica
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I neutrini: come sono stati scoperti, cosa sono e perché vengono studiati con interesse
Antonella Ravizza - 20/08/2019
Tutta la materia è composta da un grande numero di particelle elementari, che differiscono tra loro per il tipo e le caratteristiche. I neutrini sono particelle elementari che si trovano all’esterno degli atomi e che non sono composte da ulteriori particelle più semplici; essi sono caratterizzati dal fatto che non hanno carica elettrica e hanno una massa estremamente piccola, che non è ancora stata misurata con precisione, ma che dalle stime effettuate pare essere anche un milione di volte più piccola di quella di un elettrone (che ha già una massa circa 2.000 volte più piccola di quella del protone e del neutrone).
Come sono stati scoperti i neutrini?
I neutrini sono stati scoperti per caso. Verso la fine del 1920 si era osservato che durante il decadimento radioattivo di tipo beta (in cui il nucleo atomico emette un elettrone e si trasforma in un nucleo di una nuova specie atomica) una parte dell’energia scompariva, contraddicendo il noto principio di conservazione, che afferma che l’energia complessiva di una trasformazione non cambia, perché l’energia non si crea e non si distrugge. Per essere più precisi dovremmo parlare non solo di energia, ma di massa-energia, perché l’una può scambiarsi nell’altra e viceversa, in seguito alla celebre formula di Einstein: E=mc2.
Pauli, per ovviare al problema, ipotizzò l’esistenza di una strana particella che sarebbe comparsa quando il nucleo radioattivo emetteva l’elettrone; questa nuova particella avrebbe contenuto l’energia mancante, sarebbe stata neutra e molto più leggera dell’elettrone stesso.
L’introduzione del neutrino sanava anche la violazione della legge della conservazione della quantità di moto e quella del momento angolare. Enrico Fermi verso il 1934, in un congresso internazionale, in seguito a una battuta del suo allievo Edoardo Amaldi, usò per primo il termine “neutrino” per distinguerlo dal neutrone, molto più grande e scoperto da Chadwick. Quando un neutrone si fosse trasformato in protone ci sarebbe stata l’emissione di un elettrone e di un neutrino, mentre durante la trasformazione di un protone in un neutrone ci sarebbe l’ emissione di un positrone e di un neutrino.
Dove si trovano i neutrini?
I neutrini sono molto abbondanti nel nostro Universo, ma non interagiscono con la materia, infatti possono viaggiare attraversando anche grossi spessori (addirittura interi pianeti) senza essere fermati.
I neutrini viaggiano in linea retta
Sembra strano pensare che ogni secondo miliardi di neutrini attraversino gli oggetti sulla terra, corpo umano compreso, senza neppure essere percepiti; eppure è proprio così: si dice che i materiali siano trasparenti ai neutrini! Non solo, ma tra tutti questi miliardi, solo un neutrino all’anno interagisce con il corpo di una persona, gli altri lo attraversano senza interagire. Questo fatto rende molto difficile la cattura e la loro rilevazione.
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Come nascono questa strane e interessanti particelle?
Molti neutrini hanno origini naturali, e sono classificati in solari, atmosferici, terrestri, generati da esplosioni di supernove (le più grandi stelle) e fossili. Per osservarli bisogna costruire rilevatori con masse dell’ordine di parecchie tonnellate; questi rilevatori devono essere posizionati in luoghi non raggiungibili da altri tipi di particelle, per non generare confusione. Per questo gli esperimenti vengono effettuati al sotto di montagne, o in tunnel circondati da rocce o in profonde miniere. Le rocce, infatti, bloccano tutte le altre particelle, ma lasciano passare i neutrini, quindi è più facile riuscire a rilevarli e a studiarli.
Altri neutrini hanno origini artificiali: quelli da acceleratori di particelle e quelli da reattori nucleari. Gli acceleratori producono e accelerano protoni o elettroni o nuclei atomici. Facendo collidere i protoni accelerati con uno strato di materiale, si ottengono particelle che, decadendo, producono a loro volta neutrini. Nelle vicinanze dei reattori e degli acceleratori di particelle si cerca infatti di fotografare neutrini derivanti da sorgenti artificiali. A tal scopo vengono costruiti speciali rilevatori, con la speranza di catturare alcuni neutrini tra i tantissimi emessi.
Dove si va a caccia di neutrini?
Nei Laboratori dell’INFN del Gran Sasso sono stati fatti e si fanno tuttora studi ed esperimenti chiamati Icarus, Warp, Opera… Quest’ultimo in particolare cerca di studiare le strane proprietà di queste affascinanti particelle per mezzo di fitte reti di connessioni con altri centri di ricerca internazionali, come ad esempio il percorso ideale di 730 km in linea retta, attraverso la crosta terrestre, che unisce la “sala C” dei laboratori con il CERN, da cui riceve fasci di neutrini. Nel dicembre 2011 sembrava che potessero percorrere i 730 km in 60 nanosecondi: avrebbero dovuto muoversi a una velocità superiore a c (velocità della luce), contro la Teoria della Relatività Ristretta di Einstein. In realtà i risultati di Opera sono stati smentiti a causa di possibili errori nella sincronizzazione della misura dei tempi tra il Cern e i Laboratori del Gran Sasso o nel calcolo della reale distanza tra Ginevra e il rilevatore nell’ Appennino italiano. Un altro possibile errore è da attribuirsi alle modalità con cui è stato avviato il cavo a fibre ottiche che collegava il ricevitore Gps al computer usato per calcolare il tempo. Anche al Fermilab continuano gli esperimenti al fine di misurare la velocità dei neutrini.
Percorso ideale tra il Cern e i laboratori del Gran Sasso e neutrini osservati
Oggi sembra che siano le uniche particelle esistenti nella stessa forma che avevano alla nascita dell’ Universo stesso (il Big Bang). Si capisce quindi l’ importanza di scoprire come sono fatti: essi potrebbero fornirci una chiave di lettura sulla nascita dell’ Universo, allora… restiamo in attesa!
