I “sapori” dei neutrini

I neutrini sono tra le particelle più sorprendenti ed elusive dell’universo. Inizialmente si pensava che fossero privi di massa per scoprire poi che una massa sia pure piccolissima ce l’hanno. Volano nello spazio ad una velocità prossima a quella della luce interagendo raramente con la materia ed hanno tre “sapori” diversi.

I tre tipi di neutrini identificati dai loro stati di massa, chiamati per l’appunto sapori, sono i neutrini elettronici, muonici e tauonici. In realtà gli stati di massa di un singolo neutrino non sono “puri” ma contengono una miscela delle tre possibili masse.

Da venticinque anni però il dibattito scientifico è animato da una controversa teoria che prevederebbe un quarto tipo di queste particelle: il neutrino sterile. Se venisse confermata l’esistenza di questi “neutrini sterili” si avrebbe l’ennesima picconata al Modello Standard che per altro sappiamo ormai non completo perché non in grado di spiegare la materia e l’energia oscura.

In questi mesi stanno per partire diversi esperimenti che si ripromettono di portare le prove sull’effettiva esistenza (o meno) dei neutrini sterili, tra i quali uno dei principali si svolgerà nei laboratori di Los Alamos coordinato da William C. Louis e Richard C. van der Water che già nel 1996 avevano prospettato l’esistenza di questo quarto tipo di neutrini.

Ognuno di noi, ogni secondo è attraversato da migliaia di miliardi di neutrini che sfrecciano quasi alla velocità della luce. Se i neutrini dei tre sapori acclarati sembrano (e sono) elusivi, i neutrini sterili sono ancora più spettrali in quanto non soggetti alle forze forte, debole ed elettromagnetica. Sarebbero di fatto inafferrabili relegandoli alla parte dell’universo definita “settore oscuro” insieme alla materia ed all’energia relative.

Se i neutrini sterili esistono sarà l’ennesima sorpresa che queste particelle ci riservano. La prima è addirittura degli anni Sessanta dello scorso secolo, quando gli esperimenti progettati per catturare i neutrini che volano verso di noi dal Sole ne misurarono molti meno del previsto. Si scoprì successivamente che i neutrini strada facendo si trasformavano. Alla fine si comprese che ogni neutrino non è un oggetto “puro” bensì una miscela di tutti e tre i tipi e che può oscillare tra i vari sapori mentre viaggia.

Da qui derivò la seconda sorpresa i neutrini non erano privi di massa come si riteneva fino ad allora. Il motivo è una conseguenza diretta della teoria della relatività ristretta di Einstein che postula che il tempo si muove più lentamente per un oggetto in movimento.

Più l’oggetto si avvicina alla velocità della luce più il tempo rallenta per “fermarsi” quando si giunge a c. Se i neutrini cambiano sapore significa che subiscono dei cambiamenti e quindi sentono l’influenza del tempo. Ne consegue che viaggiano ad una velocità inferiore a quella della luce il che significa che non sono privi di massa. Soltanto una particella priva di massa, come il fotone, è infatti in grado di raggiungere la velocità della luce.

Questa scoperta garantì al giapponese Takaaki Kajita e al canadese Arthur B. McDonald il Premio Nobel per la fisica nel 2015 per il loro contributo chiave agli esperimenti che hanno dimostrato l’oscillazione del neutrino. Questa metamorfosi  richiede che i neutrini abbiano massa: questa scoperta ha cambiato la nostra comprensione dei meccanismi più intimi della materia e può rivelarsi cruciale per la nostra comprensione dell’universo.

Se potessimo volare a fianco di un neutrino nello spazio lo vedremmo oscillare da un sapore all’altro, passando a rotazione attraverso tutti e tre i tipi. Se esistessero i neutrini sterili all’osservatore che vola a fianco del neutrino sembrerebbe che la particella sparisse per una parte della traiettoria, riapparendo qualche tempo dopo in una configurazione di sapori diversa.

Una nuova generazione di esperimenti appena partita o in fase di avvio si appresta a chiarire una volta per tutte l’esistenza o meno dei neutrini sterili, tra questi l’esperimento CCM di Los Alamos. CCM è ospitato all’interno di un acceleratore di particelle lungo 800 metri. L’acceleratore spara un fascio di protoni contro un bersaglio di tungsteno. Quando i protoni colpiscono il bersaglio espellono neutroni dagli atomi bersaglio, una parte dell’energia rilasciata dalla collisione porta alla creazione di prioni. Queste particelle hanno una vita brevissima e decadono rapidamente in muoni e in neutrini muonici con una specifica energia.

Sfruttando la dualità onda-particella il CCM rileva i neutrini. Quando l’energia di un neutrino è abbastanza bassa da rendere la sua lunghezza d’onda paragonabile a quella di un intero nucleo atomico, il neutrino a bassa energia invece di colpire un singolo protone o neutrone, interagisce con l’intero nucleo.

L’atomo colpito produce minuscoli lampi di luce mentre il neutrino prosegue la sua corsa sia pure con un’altra traiettoria. Analizzando il lampo di luce è possibile misurare la somma dei tre sapori noti dei neutrini su tutte le interazioni. Se la somma non corrisponde al numero atteso di neutrini è possibile che ci siano neutrini sterili non misurati.

La mancanza di queste conferme per altro, pur costituendo una delusione per quei fisici che sono convinti dell’esistenza dei neutrini sterili, consentirebbe di porre dei limiti alle loro ipotetiche proprietà restringendo così i parametri per le future ricerche.

Siamo ormai prossimi a risolvere la disputa teorica sull’esistenza o meno dei neutrini sterili che anima la ricerca scientifica ed il dibattito tra i fisici delle particelle e delle alte energie da più di un quarto di secolo.

fonte: Le Scienze, settembre 2020, edizione cartacea

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