L'enigma dei neutrini: dalla scoperta alle oscillazioni

Qual è la scoperta del neutrino?

La sua scoperta rappresenta la più classica conseguenza dell'assoluta fiducia riposta dai fisici nel principio di conservazione dell'energia.

Verso il 1930 il fisico viennese Wolfgang Pauli, per far quadrare il bilancio

dell'energia e della quantità di moto nel processo di trasformazione di un neutrone in un protone e un elettrone (decadimento β), si rese conto che fra i prodotti doveva figurare un'altra particella, priva di carica e di massa quasi nulla, sicuramente molto più piccola di quella dell'elettrone. L'ipotetico corpuscolo fu subito battezzato da Enrico Fermi con il nome di "neutrino" per indicare una piccola particella neutra. Il neutrino rimase per circa trent'anni un utile ma elusivo fantasma. Una conferma sperimentale diretta della sua esistenza è infatti estremamente difficile da ottenere, poiché, a differenza delle altre particelle, la probabilità che il neutrino, soggetto soltanto a interazioni deboli, interagisca con la materia è estremamente bassa.

Conferma sperimentale dei neutrini

Queste sfuggenti particelle possono attraversare tutta la nostra galassia senza perdere energia e senza che vi sia un'interazione che ne riveli la presenza. Solo nel 1956 Frederick Reines e Clyde Cowan, utilizzando un dispositivo collocato immediatamente sotto il reattore nucleare statunitense di Savannah River, nella Carolina del Sud, riuscirono a dimostrare la reale esistenza dei neutrini (in particolare degli antineutrini) come particelle libere.

Sorgenti di neutrini

Oltre al decadimento p, al decadimento dei pioni e dei muoni e di altre particelle, sono i reattori nucleari e soprattutto il Sole e le altre stelle le più grandi sorgenti di neutrini. Sulla Terra ne giungono talmente tanti che ogni secondo decine e decine di miliardi di queste particelle attraversano ogni centimetro quadrato della nostra superficie corporea.
Oggi le indagini sperimentali sui neutrini si avvalgono di apparati grandiosi, come quelli dell'esperimento Borexino, allestito nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso per studiare i neutrini di origine solare, il cui sistema di rivelazione è costituito da un volume sferico riempito di 300 tonnellate di liquido scintillatore e circondato da 2200 fotomoltiplicatori, isolati da uno strato di idrocarburo e da migliaia di tonnellate di acqua purissima, il tutto racchiuso in una gigantesca cisterna di acciaio inossidabile che forma una cupola di 18 metri di diametro. Di tutti i neutrini che attraversano questo grosso volume, una frazione irrisoria (meno di cinquanta in un'intera giornata di osservazione) interagisce con la materia e lascia un segno del suo passaggio.

Teoria dell'oscillazione neutrinica

Inizialmente i neutrini furono considerati privi di massa, poi alcuni fisici teorizzarono che potessero avere una massa lievemente diversa da zero. Fra questi scienziati vi fu Bruno Pontecorvo (1913-1993), allievo e collaboratore di Fermi, pisano di nascita che scelse nel 1950 di diventare cittadino sovietico. Nel 1957 Pontecorvo, ipotizzando che al muone fosse associato un neutrino (il v , che sarebbe stato osservato cinque anni più tardi) diverso da quello elettronico, previde che per un curioso effetto quantistico, detto oscillazione neutrinica, i neutrini potessero scambiarsi identità e quindi, essendo per esempio emessi come neutrini elettronici, potessero essere rivelati con una certa probabilità come neutrini muonici e La teoria dell'oscillazione neutrinica, perfezionata nel corso di un decennio dopo nello stesso Pontecorvo, indica che la metamorfosi può verificarsi solo se i diversi tipi di neutrini hanno masse differenti.

Problema dei neutrini solari

La maggior parte dei neutrini che arrivano sulla Terra sono i neutrini elettronici prodotti dal Sole e, nonostante il loro immenso numero si constata che sono troppo pochi, circa un terzo di quelli previsti dal cosiddetto modello solare sulla base dei dati più sicuri e conosciuti, quali la luminosità della nostra stella, la sua composizione chimica, la sua temperatura ecc.

Il difetto di neutrini solari è troppo ampio per essere attribuito a errori sperimentali e, al momento attuale, la soluzione più plausibile del problema è rappresentata dall'ipotesi di Pontecorvo: durante il loro viaggio dal sole alla Terra, alcuni neutrini elettronici cambiano pelle e da elettronici diventano muonici e tautonici. Ammettendo che gli originari ve si ripartiscano in modo paritetico fra i tre tipi, non fa meraviglia che ne sia rivelato solo un terzo. Più avanti torneremo a parlare di fisica dei neutrini, considerando un aspetto che è balzato alla ribalta della cronaca nel settembre del 2011 quando è stato annunciato un eclatante risultato da parte dei fisici del CERN e dei laboratori del Gran Sasso, che hanno rilevato, dalle misure effettuate su queste particelle, una velocità superiore alla velocità della luce.