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Neutrini, la storia continua…

Non saranno più veloci della luce ma hanno ancora molti segreti da svelare ai rivelatori già esistenti e a quelli che saranno costruiti nei prossimi anni.

Neutrini, la storia continua….

Per un po’ continueremo ad associare i neutrini alla straordinaria storia della loro presunta velocità superluminale, con tanto di incredibili scivoloni del nostro Ministero, accuse di gelosie nazionaliste e meste dimissioni in seguito alla dimostrazione che l’annuncio dei neutrini più veloci della luce era stato – non a caso – troppo frettoloso. Ma i fisici hanno già dimenticato l’accaduto e si preparano a riprendere la caccia a queste particelle straordinariamente elusive per via della loro scarsissima interazione con la materia. Lo faranno attraverso nuovi esperimenti, come il Long Baseline Neutrino Experiment al Fermilab di Chicago, che sparerà una fascio di neutrini per centinaia di chilometri attraverso la roccia verso un massiccio rilevatore di particelle. O come l’UK-to-Japan Neutrino Factory, che manderà fasci di neutrini dall’Inghilterra al Giappone. Sono ancora lontani dall’essere costruiti e il costo è di diversi miliardi di dollari, ma forse il gioco vale la candela.

Una sfida al Modello Standard

Quello che sappiamo al momento è questo: non esiste un solo neutrino, ma tre diversi “sapori”, ossia il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico; esistono altresì tre antineutrini, che però hanno carica neutra esattamente come i neutrini e quindi fondamentalmente potrebbero essere sempre neutrini; i neutrini interagiscono pochissimo con la materia, e infatti passano attraverso il nostro corpo in continuazione senza che ce ne accorgiamo, e un neutrino potrebbe attraversare un muro di piombo spesso oltre un anno-luce senza mai interagire con gli atomi che lo compongono. Da qui sorge però il problema principale che angustia i fisici. Secondo il modello standard della fisica delle particelle, il neutrino non dovrebbe possedere massa. In tal modo si spiegherebbe perché interagisce così poco con la materia e perché viaggia a una velocità prossima a quella della luce. Però le osservazioni hanno dimostrato che il neutrino possiede una massa, per quanto infinitesimale possa essere. E questo naturalmente mette in crisi il modello standard, che finora ha sempre dato straordinarie conferme della sua solidità. Tuttavia, come ha tenuto a precisare l’eminente fisico americano Lawrence Krauss, “La massa del neutrino ci dice che il modello standard dev’essere ampliato, ma non ci dice come farlo”.

Sotto il Gran Sasso si cela uno dei più grandi rivelatori al mondo di neutrini...

Ci sono altre cose che non sono ancora chiare: il neutrino è uno solo, ma ha tre sapori, cioè tre tipi di configurazioni elettroniche che assume. In che modo avviene ciò? Mistero. E anche se gli scienziati sono abbastanza sicuri del fatto che i neutrini abbiano una massa, non hanno ancora determinato il suo esatto valore. Si sa solo che è molto, molto piccolo. Alcune teorie più avanzate, come le cosiddette “teorie di grande unificazione”, che cercano di mettere insieme le quattro forze della natura – elettromagnetismo, forza nucleare forte, forza nucleare debole e gravità –, sembrano predire la massa dei neutrini, cosa che le rende interessanti estensioni del modello standard agli occhi di alcuni, ma non di tutti, gli scienziati. La cosa migliore da fare a questo punto è abbandonare le teorie e passare all’osservazione. Sembra facile, ma non lo è. Poiché, come si è detto, i neutrini sono così difficili da individuare, c’è bisogno di costruire rilevatori molto grossi, schermarli dal “rumore di fondo” della radiazione cosmica costruendoli sottoterra, e aspettare qualche anno per raccogliere un numero sufficiente di rilevamenti – nell’ordine di una decina – per trarre qualche conclusione.

Il segreto dei neutrini sterili

La massa del neutrino ci dice che il modello standard dev’essere ampliato, ma non ci dice come farlo.

Lawrence Krauss

Finora, i rilevamenti prodotti dai neutrini provenienti dal cosmo suggeriscono che, sommate, le masse dei tre sapori del neutrino non superino il valore di 0,3 elettronvolt, un milione di volte inferiore alla massa della particella immediatamente più pesante, l’elettrone. E preso singolarmente, un neutrone potrebbe avere una massa di appena 0,05 elettronvolt! Questa cosa non fa dormire la notte molti fisici. Valori così prossimi allo zero sembrano sempre poco convincenti. Come ha detto Frank Close, dell’Università di Oxford: “Perché il neutrino sia così leggero in confronto a tutto il resto è bizzarro”. E ancora più bizzarro sarebbe il cosiddetto neutrino sterile, proposto ma non osservato, e forse addirittura inosservabile, perché – come il nome suggerisce – il neutrino sterile non interagirebbe affatto con la materia, ma la sua esistenza potrebbe risolvere il problema della materia oscura. Una promessa sufficiente a giustificare gli oltre 20 esperimenti in corso per stabilirne l’esistenza.

Non solo: secondo la teoria della leptogenesi, il neutrino sterile potrebbe spiegare anche perché, se il Big Bang ha prodotto una quantità uguale di materia e antimateria, oggi il nostro universo appare composto da sola materia. Una versione pesante del neutrino sterile, nei primi istanti dell’universo, sarebbe stata soggetta a decadimento, dando vita a particelle di materia ordinaria e alle loro antiparticelle in quantità differenti. Le particelle di materia avrebbero superato le antiparticelle di una parte su un miliardo al massimo, ma sufficiente a far sì che nella conseguente annichilazione quella piccola superiorità permettesse alla materia di vincere la battaglia per la conquista dell’universo. Alcuni dati raccolti quest’anno dagli esperimenti suggeriscono che questa teoria non sia del tutto campata in aria: forse nei prossimi anni potrà essere confermata. Prepariamoci dunque a sentire parlare dei neutrini in futuro. I grandi e potenti rilevatori in Giappone, negli USA e in Italia, sotto il Gran Sasso, promettono di stupirci. In queste particelle così strane e misteriose potrebbe celarsi la chiave per svelare i più grandi misteri dell’universo.

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