I neutrini e la velocità della luce: facciamo il punto

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La notizia del giorno riguarda l’ipotetica scoperta che i neutrini viaggino a velocità superiore a quella della luce. A comunicarlo sono stati gli scienziati di OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), un progetto internazionale a guida italiana che ha il suo ‘cuore’ nelle viscere di una montagna in Abruzzo, all’interno dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dove opera l’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). Il gigantesco rivelatore alto come una casa di tre piani e del peso di 4000 tonnellate, in quasi tre anni di attività ha registrato l’arrivo di oltre 16.000 neutrini lanciati dai laboratori del CERN (Centro Europeo di Ricerca Nucleare) di Ginevra [1].
Il fascio di neutrini impiegato nell'esperimento CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) viene prodotto al Cern accelerando protoni e facendoli scontrare contro un bersaglio fisso. In seguito alla collisione si creano particelle instabili le quali decadono in altre particelle più leggere. Dopo il processo di decadimento (o di arresto per interazione con la materia) sopravvivono solo i neutrini, che continuano a viaggiare nella direzione originaria del fascio di protoni, verso i Laboratori del Gran Sasso. I neutrini, che hanno percorso i 730 chilometri che separano i due siti, dovevano arrivare dopo circa 2,4 millesimi di secondo e sono stati rilevati con un anticipo di 61 miliardesimi di secondo, ossia hanno viaggiato ad una velocità due millesimi di percento superiore a quella della luce.
La scoperta ovviamente dovrà essere confermata, ma nel frattempo si sono scatenati titoli sensazionalistici del tipo: Neutrini più veloci della luce: Einstein sbagliava?, ... Einstein in soffitta e con lui molto di ciò che sappiamo... Il Cern di Ginevra ha inflitto un duro colpo ad uno degli assiomi della relatività di Albert Einstein, ... nuovi studi sembrano mettere in discussione la teoria della Relatività... o altre banalità del genere, quasi tutte al di fuori della reale portata scientifica della notizia, qualora si dimostrasse vera.

Innanzi tutto è utile precisare che la teoria della Relatività di Einstein è una delle teorie fisiche più controllate a livello sperimentale e l’enorme messe di risultati previsti ed ottenuti ne fanno una delle teorie più consolidate della fisica moderna. Basti pensare che gli stessi apparati che sono utilizzati nei laboratori sotterranei del CERN, e che hanno contribuito a questa presunta scoperta, non potrebbero correttamente funzionare se non fossero stati progettati tenendo in debita considerazione le formule della Relatività.
Inoltre è bene che si sappia che la teoria della Relatività non prevede l'impossibilità per le particelle di viaggiare a velocità superiori a quella della luce, ma piuttosto l'impossibilità di oltrepassare la soglia della velocità della luce. In altre termini, le particelle che oggi conosciamo, e che viaggiano a velocità inferiori a quella della luce, note con il nome di bradioni, non potrebbero essere mai accelerate oltre quel limite, perché per raggiungere tale velocità, necessiterebbero di un'energia infinita. Ma così come la fisica prevede l'esistenza dei fotoni, particelle che viaggiano sempre e solamente alla velocità della luce, avendo massa a riposo nulla, allo stesso modo è fisicamente compatibile con la teoria della Relatività l'esistenza di ipotetiche particelle, chiamate tachioni, che viaggiano sempre a velocità superiori a quella della luce, non potendo mai varcare il muro di tale velocità questa volta dall'alto verso il basso. In ogni caso la velocità della luce rappresenta un limite insuperabile, una sorta di membrana impermeabile. Un suo eventuale attraversamento, in qualsiasi senso, questo sì costituirebbe una vera e propria falla nella struttura concettuale della Relatività.

Come sostiene Recami (Università di Bergamo, INFN-Sezione di Milano), uno dei massimi esperti italiani della teoria dei tachioni [2], [3], [4],... il fatto che gli Indiani non possano valicare l'Himalaya non vuole dire che non possano esistere... i Cinesi, esseri – cioè – che nascono vivono e muoiono al di là dell'Himalaya senza aver mai avuto bisogno di attraversare l'invalicabile barriera di montagne. Gli stessi normali fotoni nascono campano e muoiono sempre alla velocità c, senza alcun bisogno di partire da fermi e accelerare fino alla velocità invariante (cosa che non potrebbero effettuare).  Se uno accetta l'idea che possano esistere i tachioni, come vengono chiamati i supposti oggetti più veloci della luce, ovvero allarga lo schema della Relatività, arriva a comprendere meglio vari aspetti della fisica comune (come la connessione tra materia e anti-materia o le proprietà delle leggi fisiche quando si rifletta l'intero spazio in uno specchio o si cambi direzione al fluire del tempo)... Inoltre fra le varie conseguenze di tale teoria c’è anche quella di dover abbandonare il pregiudizio secondo il quale ciò che viene giudicato come causa e ciò che viene giudicato come effetto siano indipendenti dall’osservatore . In realtà, per ogni osservatore, la causa continua a precedere cronologicamente il proprio effetto, anche se le sequenze, mettendo a confronto osservatori diversi, possono risultare diverse . Niente di tutto ciò risulta essere in contraddizione con la teoria della Relatività, ma anzi ne rappresenta un suo completamento.
Ciò che invece può costituire elemento di frizione è il confronto con risultati sperimentali già noti, alcuni dei quali in linea con quelli di CNGS, altri apparentemente inconciliabili. Un evento molto importante avvenuto nel febbraio del 1987, l’esplosione di una supernova nella vicina nebulosa di Magellano (circa 170.000 anni luce dalla Terra), aveva permesso agli astrofisici che avevano seguito l’evento con i loro strumenti, di determinare con estrema precisione la velocità dei neutrini prodotti la quale risultò comunque inferiore alla velocità della luce. Le misure del tempo di volo dei neutrini generati dalla supernova SN1987A furono sicuramente più precise di quelle dell’esperimento CNGS, tuttavia è anche bene precisare che si trattava di neutrini di natura diversa (elettronici e non muonici) e ad energia più bassa (circa mille volte meno energetici), elementi che comunque potrebbero rivelarsi non sufficienti per spiegare i recenti risultati.
Altre misure condotte negli anni ’90 in vari laboratori [5] seguiti da successivi esperimenti realizzati nel 2007, al Fermilab di Chicago, avevano invece lasciato aperta l’ipotesi di aver scoperto neutrini superluminali, anche se l’incertezza sperimentale non aveva consentito di raggiungere un livello di sicurezza accettabile.
Per questo motivo la comunità scientifica internazionale si sta attrezzando allestendo nuovi controlli sperimentali. È infatti già allo studio un programma di verifiche al T2K (Tokai 2 Kamioka) neutrino experiment in Giappone.
Al momento quindi risulta impossibile per chiunque esprimere giudizi completi e definitivi e l’approccio migliore è quello cautelativo. In ogni caso, anche se la notizia si rivelasse corretta, sarebbe da considerarsi di portata certamente epocale, alla stregua di quanto avvenne sia a livello epistemologico che ontologico nel periodo d’oro della fisica del primo ‘900, ma non per il fatto di aver seppellito la teoria della Relatività, quanto piuttosto per aver contribuito a far emergere una sua naturale estensione, senza alcuna violazione di leggi fondamentali, con straordinarie ricadute sia in cosmologia che in fisica quantistica [6], [7].

Bibliografia
[1] Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, arxiv.org (2011);
[2] Recami et alt., Are muon neutrinos faster than light particles? Physics Letters B (1986)
[3] Recami et alt., Classical Theory of Tachyons (Special Relativity Extended to Superluminal Frames and Objects)., Rivista del Nuovo Cimento Vol. 4, (1974)
[4] Recami, Classical Tachyons and Possible Applications., Rivista del Nuovo Cimento Vol. 9, (1986)
[5] Eue Jin Jeong, Neutrinos Must be Tachyons. arXiv:hep-ph/9704311 v4 (1997)
[6] Bersani G. F., I buchi neri non evaporano, Scienza e Conoscenza (2008).
[7] Bersani G. F., L’unificazione delle forze, Didattica delle Scienze (2009)

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