Di John Beacom, Ohio State University

I neutrini richiedono pazienza. Ne vale la pena, e l’annuncio del Premio Nobel per la Fisica 2015 lo riconosce, dopo i premi correlati del 1988, 1995 e 2002. Ironicamente, queste particelle quasi invisibili possono rivelare cose che non possono essere viste in nessun altro modo.

Potrei iniziare dicendovi che i neutrini sono particelle elementari, ma questo suona condiscendente. Non sono chiamati elementari perché sono facili da capire – non lo sono – ma perché hanno dimensioni apparentemente puntiformi e non possiamo scomporli in costituenti più piccoli. Non esiste la metà di un neutrino.

Le cose più piccole dell’universo

Gli atomi, nonostante il nome greco (“non possono essere tagliati”), non sono particelle elementari, cioè possono essere smontati. Un atomo è una nuvola diffusa di elettroni che circonda un nucleo minuscolo e denso composto da protoni e neutroni, che può essere scomposto in quark up e down.

I collisori di particelle, che accelerano le particelle fino alla velocità della luce e le fanno scontrare, ci aiutano a scoprire nuove particelle elementari. In primo luogo, a causa di E = mc2, l’energia della collisione può essere convertita nella massa delle particelle. In secondo luogo, più alta è l’energia del fascio dell’acceleratore, più finemente possiamo risolvere le strutture composte, proprio come possiamo vedere cose più piccole con i raggi X che con la luce visibile.

Non siamo stati capaci di smontare elettroni o quark. Queste sono particelle elementari, che formano i costituenti di base della materia ordinaria: i mattoncini Lego dell’universo. È interessante notare che ci sono molti cugini pesanti delle particelle familiari che esistono solo per frazioni di secondo, e quindi non fanno parte della materia ordinaria. Per esempio, per gli elettroni questi sono il muone e il tauone.

Cos’è un neutrino?

In che modo questa particella elementare – il neutrino – è diversa da tutte le altre particelle elementari? È unica in quanto è quasi senza massa e quasi senza interazioni. Queste caratteristiche sono diverse, anche se spesso confuse (non accettare consigli sui neutrini da un poeta, anche se è John Updike).

È un mistero perché i neutrini siano quasi, ma non del tutto, senza massa. Sappiamo però perché sono quasi non interagenti: Non sentono le forze elettromagnetiche o forti che legano i nuclei e gli atomi, ma solo la forza debole, giustamente denominata (e la gravità, ma a malapena, perché le loro masse sono piccole).

Anche se i neutrini non sono costituenti della materia ordinaria, sono ovunque intorno a noi – un trilione dal sole passa attraverso i tuoi occhi ogni secondo. Ce ne sono centinaia per ogni centimetro cubo rimasto dal Big Bang. Poiché interagiscono così raramente, è quasi impossibile osservarli, e certamente non li si sente.

I neutrini hanno altri aspetti strani. Sono disponibili in tre tipi, chiamati sapori – neutrini di elettrone, muone e tauone, corrispondenti alle tre particelle cariche con cui si accoppiano – e tutti questi sembrano essere stabili, a differenza dei cugini pesanti dell’elettrone.

Perché i tre sapori dei neutrini sono quasi identici, esiste la possibilità teorica che possano trasformarsi l’uno nell’altro, un altro aspetto insolito di queste particelle, che può rivelare nuova fisica. Questa trasformazione richiede tre cose: che le masse dei neutrini non siano nulle, che siano diverse per i diversi tipi, e che i neutrini di sapore definito siano combinazioni quantiche di neutrini di massa definita (questo si chiama “miscelazione di neutrini”).

Per decenni, ci si aspettava generalmente che nessuna di queste condizioni sarebbe stata soddisfatta. Non dai fisici dei neutrini, però – abbiamo mantenuto la speranza.

Fare astronomia con particelle invisibili

Alla fine, la natura ha fornito, e gli sperimentatori hanno scoperto, supportati dai calcoli dei teorici. Prima vennero decenni di ricerca da parte di molti esperimenti, con importanti suggerimenti per incoraggiare la caccia.

Poi, nel 1998, l’esperimento Super-Kamiokande in Giappone annunciò una forte prova che i neutrini muonici prodotti nell’atmosfera terrestre cambiano in un altro tipo (ora si pensa siano neutrini tauonici). La prova è stata vedere questo accadere per i neutrini che venivano dal “basso”, avendo percorso una lunga distanza attraverso la Terra, ma non per quelli dall'”alto”, avendo percorso solo la breve distanza attraverso l’atmosfera. Poiché il flusso di neutrini è (quasi) lo stesso in diversi luoghi della Terra, questo ha permesso una misurazione “prima” e “dopo”.

Nel 2001 e 2002, il Sudbury Neutrino Observatory in Canada ha annunciato una forte prova che anche i neutrini elettronici prodotti nel nucleo del sole cambiano sapore. Questa volta la prova è stata vedere che i neutrini di sapore elettronico che scomparivano poi riapparivano come altri tipi (ora si pensa che siano un mix di neutrini muonici e tauonici).

Ognuno di questi esperimenti ha visto circa la metà dei neutrini previsti dalle previsioni teoriche. E, forse in modo appropriato, Takaaki Kajita e Arthur McDonald hanno ricevuto ciascuno metà del premio Nobel.

In entrambi i casi, gli effetti quantomeccanici, che normalmente operano solo a distanze microscopiche, sono stati osservati su scale di distanza terrestri e astronomiche.

Come diceva la prima pagina del New York Times nel 1998, “Mass Found in Elusive Particle; Universe May Never Be the Same”. Queste chiare indicazioni del cambiamento di sapore dei neutrini, da allora confermate e misurate in dettaglio in esperimenti di laboratorio, mostrano che i neutrini hanno una massa e che queste masse sono diverse per i diversi tipi di neutrini. È interessante notare che non sappiamo ancora quali siano i valori delle masse, anche se altri esperimenti mostrano che devono essere circa un milione di volte più piccoli della massa di un elettrone, e forse più piccoli.

Questo è il titolo. Il resto della storia è che il mescolamento tra i diversi sapori di neutrino è in realtà abbastanza grande. Si potrebbe pensare che sia una cattiva notizia quando le previsioni falliscono – per esempio, che non saremo mai in grado di osservare il cambiamento di sapore dei neutrini – ma questo tipo di fallimento è positivo, perché impariamo qualcosa di nuovo.

Società internazionale dei cacciatori di neutrini

Sono felice di vedere questo riconoscimento per i miei amici Taka e Art. Vorrei che diverse persone chiave, sia sperimentatori che teorici, che hanno contribuito in modo essenziale, avessero avuto lo stesso riconoscimento. Ci sono voluti molti anni per costruire e far funzionare quegli esperimenti, che a loro volta sono stati costruiti su un lavoro lento, difficile e in gran parte non gratificante che risale a decenni fa e che ha richiesto lo sforzo di centinaia di persone. Questo include la grande partecipazione degli Stati Uniti sia a Super-Kamiokande che al Sudbury Neutrino Observatory. Quindi, congratulazioni ai neutrini, a Taka e Art, e ai molti altri che hanno reso possibile tutto questo!

Quando ho iniziato a lavorare sui neutrini, più di 20 anni fa, molte persone, compresi eminenti scienziati, mi hanno detto che stavo sprecando il mio tempo. Più tardi, altri mi hanno esortato a lavorare su qualcos’altro, perché “le persone che hanno lavorato sui neutrini non trovano lavoro”. E, ancora oggi, molti fisici e astronomi pensano che stiamo inseguendo qualcosa di quasi immaginario.

Ma non è così. I neutrini sono reali. Sono una parte essenziale della fisica, e fanno luce sull’origine della massa, sull’asimmetria particella-antiparticella dell’universo, e forse sull’esistenza di nuove forze che sono troppo deboli da testare con altre particelle. E sono una parte essenziale dell’astronomia, rivelando gli acceleratori di più alta energia nell’universo, cosa c’è dentro le stelle più dense, e forse oggetti astrofisici nuovi e altrimenti non visti.

L’autore descrive come i fatti che impariamo sull’universo modellano il nostro senso del significato.

Particelle minuscole, grandi misteri

Perché dovrebbe interessarti, oltre a condividere la nostra curiosità di rivelare alcune delle cose più strane dell’universo?

La forza debole che i neutrini percepiscono è ciò che cambia i protoni in neutroni, alimentando le reazioni di fusione nucleare nel sole e in altre stelle, e creando gli elementi che rendono possibili i pianeti e la vita stessa.

I neutrini sono l’unico componente della materia oscura che comprendiamo, e capire il resto ci aiuterà a capire la struttura e l’evoluzione dell’universo. Se le masse dei neutrini fossero state molto più grandi, l’universo avrebbe un aspetto molto diverso, e forse non saremmo qui a vedere.

Infine, se si è puramente pratici, la fisica e l’astrofisica dei neutrini è uno dei lavori più difficili, che ci richiede di inventare rivelatori e tecniche incredibilmente sensibili. Questa conoscenza ha altri usi; per esempio, usando un rivelatore di neutrini, potremmo dire se un presunto reattore nucleare è acceso, qual è il suo livello di potenza e persino se sta producendo plutonio. Questo potrebbe avere alcune applicazioni nel mondo reale.

I decenni passati nella fisica dei neutrini e nell’astronomia sono stati grandiosi, ma alcune delle cose più eccitanti stanno appena iniziando ad accadere. L’IceCube Neutrino Observatory al Polo Sud sta ora vedendo neutrini ad alta energia provenienti da fuori della nostra galassia. Super-Kamiokande ha annunciato un piano, basato su una proposta mia e di Mark Vagins, per migliorare la sua sensibilità agli antineutrini rispetto ai neutrini. E la comunità internazionale spera di costruire un nuovo grande impianto di neutrini, in cui un potente fascio di neutrini sarà inviato dal Fermilab in Illinois a un rivelatore in profondità nel sottosuolo della miniera Homestake nel Sud Dakota. Chissà cosa troveremo?

E questo è quello che stavo davvero aspettando.

John Beacom, professore di fisica, professore di astronomia e direttore del Center for Cosmology and AstroParticle Physics (CCAPP), Ohio State University

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l’articolo originale.