I neutrini, l’essenziale invisibile agli occhi

I neutrini interagiscono molto raramente con la materia; possono infatti attraversare praticamente indisturbati enormi spessori di materia

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Nel settembre del 2011, la maggior parte dei mezzi di diffusione delle informazioni (dalla televisione, alla radio, ai social network) portò alla conoscenza del grande pubblico, anche attraverso delle bizzarre interpretazioni del fenomeno, l’esistenza dei neutrini un risultato scientifico di incredibile rilevanza: il superamento della velocità della luce.

Tale strabiliante risultato era stato ottenuto nell’ambito dell’esperimento CNGS (Cern Neutrino to Gran Sasso), nel quale un fascio di neutrini viene lanciato dal Cern di Ginevra verso i Laboratori del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

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Successivamente il risultato vene smentito e la differenza di velocità registrata nei neutrini in viaggio tra il CERN e il Gran Sasso venne attribuita a “due aspetti legati alla temporizzazione dei segnali, un connettore di una fibra ottica non completamente avvitato (e questo porterebbe ad una misura in cui il neutrino viaggia più veloce della luce) e un effetto legato all’orologio del computer che acquisisce i dati“.

Insomma, niente velocità maggiore di quella della luce nel vuoto ma intanto il neutrino era divenuto una particella nota al grande pubblico.

Ma cosa sono i neutrini?

Per neutrino si intende una particella subatomica elementare, dotata di una massa molto piccola (circa 10-37 kg) e con carica elettrica nulla. Appartiene al gruppo dei leptoni e alla famiglia dei fermioni. I neutrini interagiscono molto raramente con la materia; possono infatti attraversare praticamente indisturbati enormi spessori di materia.

Il loro studio è estremamente interessante e ci dà importantissime informazioni in molti campi della fisica: dalla struttura della materia alla struttura stellare, alla cosmologia.

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Il neutrino, almeno come concetto, viene ipotizzato per la prima volta nel 1930, quando il fisico W. Pauli si trovò nella necessità di spiegare le osservazioni sperimentali relative al cosiddetto decadimento radioattivo di tipo beta dei nuclei atomici: tali osservazioni richiedevano che durante il decadimento fosse prodotta una particella neutra di massa molto piccola, all’epoca non rivelabile.

Enrico Fermi elaborò ulteriormente questa ipotesi e diede al neutrino il suo nome.

Dovettero però trascorrere 26 anni prima che la presenza teorizzata dei neutrini fosse sperimentalmente verifica. Questo accadde nel 1956, quando C. Cowan e F. Reines riuscirono per la prima volta a “catturare” dei neutrini (o più precisamente degli “antineutrini”) prodotti da un reattore nucleare negli Stati Uniti.

Si conoscono tre famiglie (o “sapori”) di neutrini detti neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tau e indicati coi simboli νe, νμ, ντ : ogni tipo di neutrino è associato alla particella leptonica elettrone, muone e tau.

Questi tre tipi di neutrino sono soggetti ad un fenomeno interessantissimo chiamato “oscillazioni di sapore” per cui, in certe condizioni, i neutrini si possono trasformare l’uno nell’altro: l’esistenza di questo fenomeno implica il fatto che i neutrini devono avere una massa, seppur piccolissima, diversa tra loro.

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E come si formano i neutrini?

I neutrini possono avere diverse origini.

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Neutrini terrestri – All’interno della Terra sono presenti minerali contenenti elementi radioattivi quali l’Uranio e il Torio; i nuclei di questi elementi decadono emettendo energia sotto forma di calore, e antineutrini elettronici. I neutrini prodotti sfuggono dalla Terra verso lo spazio. La rivelazione dei neutrini terrestri è estremamente importante per comprendere quanto e come la radioattività naturale è determinante per gli equilibri del nostro pianeta.

Neutrini atmosferici – L’atmosfera terrestre è bombardata dai cosiddetti raggi cosmici, particelle cariche (in prevalenza protoni) di alta energia che si muovono nello spazio. Quando i raggi cosmici penetrano nell’atmosfera, collidono con i nuclei degli atomi e innescano delle reazioni durante le quali vengono prodotte molte particelle secondarie che decadendo originano neutrini e antineutrini (prevalentemente elettronici e muonici). I neutrini atmosferici sono studiati da molti anni e hanno permesso di evidenziare il fenomeno delle oscillazioni di sapore.

Neutrini solari – Una grande quantità di neutrini elettronici viene prodotta all’interno delle stelle e in particolare del Sole; i neutrini vengono emessi nel nucleo del Sole durante le reazioni di fusione termonucleare responsabili della produzione dell’energia, e fuoriescono giungendo fino alla Terra. Lo studio dell’energia e del numero dei neutrini solari è fondamentale per la comprensione dei processi fisici che fanno funzionare il Sole.

Neutrini da esplosioni di supernovae – I neutrini prodotti da tutte le altre stelle tranne il Sole giungono alla Terra con una intensità molto debole a causa della enorme distanza che ci separa dalle stelle; di conseguenza risulta pressoché impossibile distinguerli dai neutrini solari.

Un’eccezione è costituita dall’esplosione delle supernovae, stelle massive che dopo aver esaurito il loro combustibile nucleare collassano ed esplodono. Esse emettono una enorme quantità di energia sotto forma di luce, materia, ed anche di antineutrini. Se la supernova esplode nella nostra galassia la quantità di neutrini emessa è talmente alta da raggiungere la Terra con una intensità rilevante.

Questi neutrini vengono emessi in un unico fiotto che dura una decina di secondi, e contengono informazioni importantissime sul meccanismo con cui avviene l’esplosione. In occasione dell’esplosione della supernova extragalattica nella Grande Nube di Magellano avvenuta nel 1987 (supernova SN1987A) si sono catturati per la prima volta una ventina di neutrini emessi in queste “catastrofi cosmiche”.

Neutrini fossili – Si ritiene che pochi istanti dopo la nascita dell’Universo (Big-Bang) siano stati prodotti un enorme numero di neutrini e antineutrini di ogni sapore, che sono sopravvissuti fino ad oggi diminuendo via via la loro energia a causa dell’espansione dell’Universo stesso. Essi si propagano in ogni direzione all’interno dell’Universo con una densità di circa 300 per centimetro cubo.

L’energia di questi neutrini fossili è ora estremamente bassa, meno di un miliardesimo di quella dei neutrini solari. Per questo motivo attualmente sembra praticamente impossibile catturare questi neutrini.

I neutrini possono anche essere prodotti artificialmente dall’uomo; tra le sorgenti artificiali di neutrini abbiamo:

  • Neutrini da acceleratori di particelle

Gli acceleratori di particelle sono in grado di produrre e accelerare particelle cariche (tipicamente protoni, elettroni o nuclei atomici). Facendo collidere i protoni accelerati da un acceleratore con uno strato compatto di materiale si riescono a produrre particelle che decadendo originano neutrini e/o antineutrini di diversi sapori.

  • Neutrini da reattori nucleari

Durante le reazioni di fissione nucleare che avvengono all’interno di un reattore nucleare vengono prodotti, oltre a neutroni e altri prodotti di fissione, anche antineutrini elettronici. Ogni reattore nucleare è quindi una sorgente di antineutrini elettronici.

Come si rivelano i neutrini?

Abbiamo detto che i neutrini sono particelle che interagiscono molto difficilmente con la materia, tanto che la stessa Terra è praticamente trasparente per un neutrino. Di conseguenza è facile capire che la rivelazione (o cattura) è estremamente difficile.

Data la rarità delle interazioni, occorre costruire rivelatori con una massa molto grande, dell’ordine di molte tonnellate e porsi in un ambiente in cui solo i neutrini possano giungere e i disturbi dovuti alla presenza di flussi di altre particelle possono essere limitati. Gli esperimenti vengono quindi costruiti sotto terra in miniere o in tunnel autostradali.

La roccia e la terra sovrastante blocca gran parte delle particelle, che potrebbero produrre un rumore di fondo per il rivelatore, come i muoni, mentre i neutrini giungono indisturbati fino al rivelatore, dove qualcuno di essi viene alla fine catturato.

Tra i principali laboratori sperimentali per la rivelazione del neutrino vi sono: gli impianti Amanda (fra i ghiacci antartici); gli impianti subacquei di Dumond (Oceano Pacifico); NT-36 (lago Bajkal); Nestor (Egeo).

I laboratori sotterranei di Superkamiokande (Giappone) hanno subito un incidente disastroso e, dopo essere stati tra i primi a dimostrare l’oscillazione del neutrino, sono stati adibiti alla rivelazione di onde gravitazionali. Tra i laboratori più importanti del mondo per lo studio dei neutrini spiccano i Laboratori del Gran Sasso dell’INFN.