Cosa sono i neutrini?
I neutrini: come sono stati scoperti, cosa sono e perché
vengono studiati con interesse
di Antonella Ravizza - 19/11/2014
Cosa sono i neutrini?
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.
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.
Come nascono queste strane ma 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.
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!
Ray Jayawardhana
Cacciatori di Neutrini - Libro >> http://goo.gl/W8L0dd
La storia della particella che aiuterà a svelare i
segreti dell'universo
Editore: Codice Edizioni
Data pubblicazione: Giugno 2014
Formato: Libro - Pag 260 - 13,5x20
Cacciatori di Neutrini - Libro
I neutrini sono ormai le star della fisica delle
particelle. Queste particelle elementari praticamente prive di massa sono così
elusive da affascinare e impegnare i fisici fin da quando vennero teorizzate
all'inizio degli anni trenta.
Oggi sappiamo abbastanza sul loro comportamento, grazie
anche a diversi contributi di scienziati italiani di ieri e di oggi: uno su
tutti, Bruno Pontecorvo.
Illustrando gli esperimenti che in diverse zone del mondo
cercano di capire di più su questi sfuggenti attori dell'universo o che tentano
di sfruttarne le peculiarità per indagare fenomeni estremi, Jayawardhana offre
anche una lezione di fisica e di storia della scienza.
Il tutto sotto l'auspicio di Isaac Asimov, per il quale
l'esclamazione più emozionante subito dopo una scoperta non è «eureka!» ma:
«Questo sì che è divertente!».
