Neutrini lenti. Ipotesi sulla loro esistenza

I neutrini viaggiano sempre alla velocità prossima a quella della luce?

Per decenni, il neutrino è stata la più enigmatica ed elusiva tra tutte le particelle del cosmo. Ci sono voluti più di venti anni, dal momento in cui questa particella è stata prevista a quando è stata effettivamente rilevata; durante questo periodo molteplici sono state le sorprese che hanno reso queste particelle uniche rispetto a tutte le altre conosciute finora.

Esse possono cambiare il sapore (flavor) da un tipo (elettrone, mu, tau) all’altro. Tutti i neutrini hanno uno spin sinistrorso; tutti gli anti-neutrini hanno uno spin destrorso. E tutti i neutrini finora osservati viaggiano a una velocità che non si riesce a distinguere da quella della luce. Ma deve essere tutto così? Facciamo questa riflessione: “Sappiamo che i neutrini viaggiano a una velocità prossima a quella della luce.

Ma poiché sono dotati di massa, non vi è alcuna ragione per cui non possano viaggiare a una qualunque altra velocità. Ma (e questo è un assunto) la loro massa impone che la loro velocità sia prossima a quella della luce. La luce, però, viaggia a una velocità costante. E, infine, niente che sia dotato di massa può viaggiare a qualunque velocità”.

Quindi, perché vediamo solamente neutrini che viaggiano a velocità consistenti con la velocità della luce? È una domanda interessante, che ci proponiamo di approfondire.

Il neutrino è stato proposto per la prima volta nel 1930, quando è sembrato che il decadimento beta violasse due delle più importanti leggi di conservazione: la conservazione dell’energia e la conservazione del momento. Quando un nucleo atomico subisce un decadimento del genere, si verificano tre situazioni:

• crescita del numero atomico di 1;

• emissione di un elettrone;

• perdita di una percentuale di massa a riposo.

Al termine del decadimento, la somma dell’energia dell’elettrone e dell’energia del nucleo, compresa tutta l’energia della massa a riposo, era sempre leggermente inferiore rispetto alla massa a riposo del nucleo iniziale. Inoltre, la misura del momento dell’elettrone e del nucleo, dopo il decadimento, non era mai uguale al momento che aveva il nucleo prima del decadimento. Pertanto, o l’energia e il momento, nel processo, andavano persi, il che andava a confliggere con la bontà delle fondamentali leggi di conservazione, oppure, si doveva ipotizzare la creazione di una nuova particella, fino a quel momento non rilevata, portatrice di quelle quantità di energia e di momento che mancavano alla somma.

Ci sono voluti circa 26 anni affinché questa particella venisse rilevata: il neutrino elusivo. Sebbene non sia possibile vedere direttamente questi neutrini, è comunque possibile rilevare le particelle che collidono o reagiscono con essi, desumendo così la presenza dei neutrini e acquisendo informazioni sulle loro proprietà e sulle loro interazioni. Molteplici sono le modalità con cui il neutrino si appalesa, e ognuna di queste modalità dà vita a nuovi tipi di misura e fornisce nuove proprietà della particella.

Sono stati misurati neutrini e anti-neutrini nei reattori nucleari.

Sono stati misurati neutrini prodotti dal Sole.

Sono stati misurati neutrini e anti-neutrini prodotti dai raggi cosmici che interagiscono con l’atmosfera terrestre.

Sono stati misurati neutrini e anti-neutrini prodotti dagli esperimenti con acceleratori di particelle.

Sono stati misurati neutrini prodotti dalla supernova più vicina: la SN 1987A

E, recentemente, sono stati osservati dei neutrini provenienti dal centro di una galassia attiva – una blazar – e rilevati dentro a superfici di ghiaccio in Antartide.

Mettendo insieme tutte queste informazioni, la comunità scientifica è riuscita ad acquisire una quantità incredibile di informazioni su questi neutrini fantasma. Riportiamo alcune di queste proprietà:

• Ogni neutrino e anti-neutrino finora osservato viaggia a una velocità così elevata, che non si distingue dalla velocità della luce;

• Sia i neutrini che gli anti-neutrini si possono trovare in tre sapori differenti: elettrone – mu – tau;

• Ogni neutrino finora rilevato è sinistrorso, mentre ogni anti-neutrino è destrorso;

• Quando interagiscono con la materia, i neutrini e gli anti-neutrini possono oscillare, ovvero passare da uno stato di sapore a un altro;

• Eppure, neutrini e anti-neutrini, nonostante sembrino muoversi alla velocità della luce, devono possedere una massa a riposo diversa da zero, altrimenti questo fenomeno dell’oscillazione del neutrino non sarebbe possibile.

I neutrini e gli anti-neutrini hanno un ampio spettro di energia, e la probabilità di interazione di un neutrino con la materia è direttamente proporzionale alla sua energia. Per la maggior parte dei neutrini prodotti nell’universo attuale, attraverso le stelle, le supernovae e altre reazioni nucleari naturali, sarebbe necessario l’equivalente di un anno luce di piombo per fermare circa la metà dei neutrini lanciati su di esso.

La combinazione di tutte le osservazioni effettuate ha permesso agli scienziati di dedurre alcune conclusioni sulla massa a riposo dei neutrini e degli anti-neutrini. Innanzitutto, questa massa a riposo non può essere nulla. Con tutta probabilità i tre tipi di neutrino hanno masse differenti l’uno dall’altro, considerando la massa del neutrino più pesante è di circa 1/4.000.000 la massa di un elettrone, la successiva particella più leggera. E, utilizzando i riscontri di due misure indipendenti – dalla struttura a larga scala dell’Universo e dalla luce residua lasciata dal Big Bang – è possibile dedurre che, nel Big Bang, per ogni protone oggi presente nell’Universo, siano stati prodotti circa un miliardo di neutrini e anti-neutrini.

Questo è il punto in cui la teoria a la sperimentazione sono in disaccordo. In teoria, dal momento che i neutrini sono dotati di massa a riposo diversa da zero, sarebbe possibile che essi viaggino a velocità non relativistiche. In teoria, i neutrini derivanti dal Big Bang dovrebbero già avere queste velocità, spostandosi oggi a sole poche centinaia di chilometri al secondo: abbastanza lenti da essere già caduti all’interno di galassie o di ammassi di galassie, andando a costituire circa l’1% di tutta la materia oscura dell’universo.

Ma sperimentalmente, non si riesce ancora a rilevare direttamente questi neutrini lenti. Questi neutrini avrebbero una sezione trasversale di dimensioni troppo piccole per essere rilevate, poiché queste piccole energie non produrrebbero nulla che possa essere captato della strumentazione oggi disponibile. Finché non riusciamo ad accelerare un rilevatore di neutrini alla velocità della luce, questi neutrini a bassa energia, gli unici che esisterebbero a velocità non relativistiche, rimarranno non rilevabili.

Rilevare questi neutrini – gli unici che si muovono lentamente rispetto alla velocità della luce – ci permetterebbe di sviluppare degli importanti test ancora non provati. Si immagini infatti di viaggiare dietro a un neutrino. Se lo si guarda, sarà possibile misurarne il moto in linea retta. Se si misura il momento angolare del neutrino, si comporterà come se girasse in senso antiorario.

Se il neutrino si muovesse sempre alla velocità della luce, sarebbe impossibile muoversi più velocemente rispetto a esso. Qualunque sia l’energia dell’osservatore, non sarà mai possibile sorpassare questo neutrino. Ma se il neutrino ha una massa a riposo diversa da zero, l’osservatore potrebbe potenziarsi e muoversi più velocemente rispetto al neutrino. Invece di vedere il neutrino muoversi davanti, lo si vedrebbe muoversi dietro. E tuttavia, il suo momento angolare avrebbe sempre lo stesso valore, in direzione antioraria; il che significa che per rappresentarlo, mentre nella configurazione precedente si usava la mano sinistra, adesso bisogna usare la mano destra.

È un paradosso molto affascinante. Sembra condurre a pensare che si può trasformare una particella di materia (il neutrino) in una particella di antimateria (antineutrino), semplicemente invertendo il moto relativo rispetto al moto della particella. In alternativa, è invece possibile che esistano neutrini sinistrorsi e antineutrini destrorsi, e che finora, per qualche ragione, non li abbiamo ancora individuati. È questa una delle più grandi domande ancora aperte sui neutrini, a cui potrà dare una risposta solo la possibilità di rilevare i neutrini a bassa energia.

Ma, di fatto, questa misura risulta ancora impossibile da praticare. I neutrini con la più bassa energia, finora rilevati, hanno comunque così tanta energia che la loro velocità deve essere, come minimo, al 99,99999999995% la velocità della luce, ovvero un valore vicino a 299.792.457,99985 metri al secondo. Persino oltre le distanza cosmiche, quando sono stati osservati neutrini provenienti da galassie al di fuori della Via Lattea, non è stata riscontrata alcuna differenza tra la velocità dei neutrini e quella della luce.

E comunque esiste una possibilità per risolvere questo paradosso, a dispetto della difficoltà intrinseca. È possibile avere un nucleo atomico instabile che non si riduce con un decadimento beta, con un doppio decadimento beta: una situazione in cui due neutroni del nucleo subiscono contemporaneamente un decadimento beta. È stato osservato questo processo in cui il numero atomico del nucleo cambia di 2 invece che di 1, vengono emessi 2 elettroni, e si ha la perdita sia dell’energia che del momento, in corrispondenza dell’emissione di 2 (anti)neutrini.

Ma se fosse possibile trasformare un neutrino in un anti-neutrino semplicemente modificando il nostro sistema di riferimento, ciò significa che i neutrini rappresentano un nuovo tipo di particella speciale, che esistono solo in teoria: una sorta di fermioni di Majorana. Potrebbe significare che l’antineutrino emesso da un nucleo potrebbe, ipoteticamente, essere assorbito (come un neutrino) dall’altro nucleo, e quindi si avrebbe un decadimento in cui:

• il numero atomico del nucleo cambia di 2;

• vengono emessi 2 elettroni;

• vengono emessi neutrini o antineutrini.

  Vi sono diversi esperimenti in corso, tra i quali l’esperimento MAJORANA, impegnati in questo doppio decadimento beta senza neutrini. Nel momento in cui sarà osservato, apporterà dei cambiamenti importanti nella prospettiva sul neutrino elusivo.

  Ma per adesso, con la tecnologia attualmente disponibile, gli unici neutrini (e antineutrini) rilevabili, attraverso le loro interazioni, si muovono a velocità indistinguibili da quella della luce. I neutrini possono avere una massa, ma questa massa è così piccola che tra tutti i modi in cui l’universo li ha creati, solo quelli derivanti dal Big Bang potrebbero muoversi più lentamente rispetto alla velocità della luce. Questi neutrini potrebbero essere attorno a noi, fare parte di una galassia, ma ancora non siamo in grado di rilevarli direttamente.

In teoria, comunque, i neutrini potrebbero avere qualunque valore di velocità, ovviamente sempre inferiore al limite della velocità della luce nel vuoto. Si avrebbe un duplice problema:

• neutrini che si muovono lentamente hanno poche probabilità di interazione;

• e, qualora si realizzassero, queste interazioni avrebbe un’energia così bassa da essere al momento non rilevabili.

Le uniche interazioni, finora osservate, con il coinvolgimento di neutrini, sono quelle che interessano i neutrini con velocità indistinguibili da quella della luce. E fino a quando non vi sarà una nuova tecnologia o tecnica sperimentale rivoluzionaria, purtroppo, questa sarà l’unica modalità disponibile per rilevare i neutrini.

Fonte: Forbes.com