A distanza di dodici anni
dall’attribuzione del Premio Nobel a Masatoshi
Koshiba, il neutrino torna da protagonista a Stoccolma insieme a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald, cui è stato assegnato il Premio Nobel per la
Fisica 2015.
I due scienziati hanno apportato contributi chiave allo studio delle
oscillazioni dei neutrini, una metamorfosi che dimostra che queste particelle hanno
una massa, ancorché piccolissima.
Il riconoscimento va
idealmente anche a un grande fisico italiano, Bruno Pontecorvo, allievo di Fermi e scomparso nel 1993, che
formulò per primo nel 1957 l’ipotesi dell’oscillazione del neutrino.
Era passato appena un anno da quando F. Reines e C.L. Cowan avevano fornito la
prova dell’esistenza di questa particella, ipotizzata da Pauli nel 1930 e pochi
anni dopo ribattezzata da Enrico Fermi.
Ma che cos’è il neutrino, e
perché l’aver dimostrato che ha massa non nulla è così importante?
Il neutrino è una delle
particelle più numerose nell’universo di materia conosciuta, essi sono
all’incirca un miliardo di volte più numerosi dei protoni e dei neutronidi
tutte le stelle dell’universo. Elusivi come fantasmi, interagiscono pochissimo
e sono quindi in grado di attraversare indenni la terra, lo spazio, arrivando
sino a noi dagli angoli più remoti e nascosti dell’universo.
Il neutrino è una
particella elementare elettricamente neutra, appartenente al gruppo dei
leptoni, ne esistono tre diverse specie identificate per il loro “sapore”,
neutrino elettronico, muonico e tau. Il Modello Standard delle particelle
elementari (MS) li inquadra tra i mattoni fondamentali che assieme alle
particelle che agiscono da mediatori delle forze, danno luogo alla
straordinaria varietà con cui la materia si manifesta.
Viva
il Re MS, abbiamo esclamato felici nel 2012 all’annuncio della
scoperta del bosone di Englert-Higgs,
l’anello mancante di questa straordinaria teoria.
Abbasso
il Re MS, sembra dire nel 2015, il Comitato del Nobel che ha
assegnato il premio per la scoperta che i neutrini hanno massa. In effetti, il
meccanismo di Englert-Higgs che spiega come quark, leptoni carichi e mediatori
delle forze acquistino massa, non richiede per nulla che i neutrini siano
massivi. L’aver dimostrato che viceversa hanno massa ci fornisce la prova
sperimentale di come sia necessario andare oltre l’armonica descrizione della
natura data dal MS e immaginare una nuova fisica.
Per comprendere le
motivazioni e i contributi specifici apportati rispettivamente da T. Kajita nel
campo dei neutrini atmosferici e A. McDonald in quello dei neutrini solari, può
essere utile ripercorrere molto brevemente la storia di quest’avventura scientifica.
La scoperta delle
caratteristiche intrinseche del neutrino e del fenomeno delle oscillazioni, cioè
della loro capacità di trasformarsi, come camaleonti, da un “sapore” a un
altro, può essere visualizzata come un grande puzzle,che i fisici hanno iniziato
a costruire negli anni ’60.Ed esattamente come un puzzle, il disegno della
natura si è svelato solo quando sono state incastrate un numero sufficiente di
tessere. Le tante inserite sono il risultato delle ricerche effettuate nei laboratori
sotterranei in Giappone, nell’America settentrionale, in Russia e in Italia ai
Laboratori INFN del Gran Sasso (LNGS).Il puzzle tuttavia non è ancora completo
perché molto rimane ancora da scoprire.
La storia comincia negli
anni ’60 con la misura dei neutrini solari effettuata da R. Davis in una
miniera del Sud Dakota con cui si dette inizio a un vero e proprio giallo. Il
flusso dei neutrini misurati era, infatti, significativamente inferiore a
quello predetto dal modello solare. Il deficit fu in seguito confermato
dall’esperimento Kamiokande in Giappone. Il dibattito dell’epoca verteva su due
ipotesi opposte, o il modello solare era sbagliato e non di poco, oppure il
neutrino aveva qualche caratteristica ignota. I due esperimenti non erano però
in grado di misurare i neutrini di energia più bassa (pp) dello spettro di
emissione solare, che sono anche i più numerosi. Una tessera successiva fu
posta dall’esperimento Gallex/GNO ai LNGS negli anni ’90 che fornì la prova che
anche il flusso dei più rilevanti neutrini pp era notevolmente inferiore a
quello predetto.
La fenomenologia era ormai diventata chiara e l’ipotesi dominante era che la spiegazione
del deficit fosse nella trasformazione dei neutrini elettronici solari in
neutrini di altri sapori nel viaggio dal sole alla terra. Intanto entrava in gioco
il gigante Super-Kamiokane in
Giappone, ma la prova conclusiva dell’ipotesi oscillazione si ebbe all’inizio
del nuovo millennio con i risultati dell’esperimento
SNO (Sudbury Neutrino Observatory) guidato da Art McDonald. L’esperimento,
la cui parte più interna era costituita da 1000 tonnellate di deuterio, ha potuto
misurare le interazioni dei neutrini di tutti i sapori in modo da verificare
che complessivamente il flusso totale fosse quello previsto dal Modello Solare Standard.
L’importanza dell’esperimento è stata meritatamente coronata dall’assegnazione
del Nobel.
Il puzzle solare continua tuttavia
ad arricchirsi di nuove tessere. L’esperimento Borexino ai LNGS sta migliorando
la conoscenza in tempo reale dello spettro solare di bassa energia e si spera
che possa fornire la prima misura dei neutrini provenienti dal ciclo secondario
CNO, importanti per i modelli predittivi in condizioni stellari diverse da
quelle solari.
Neutrini di più alta
energia rispetto a quelli solari sono un elemento della pioggia incessante di
raggi cosmici secondari che colpisce la superficie terrestre, prodotti nell’impatto
con l’atmosfera principalmente da protoni provenienti dallo spazio cosmico.
Già alla fine degli anni
’80 l’esperimento IMB negli Stati Uniti e Kamiokande, in Giappone avevano
osservato un deficit di neutrini muonici atmosferici rispetto a quelli attesi, in
contrasto però con altri esperimenti basati su tecniche di rivelazione diverse.
Agli inizi degli anni ’90 anche l’esperimento MACRO ai LNGS aveva cominciato a
misurare eventi da neutrini atmosferici eun deficit di quelli muonici. L’ipotesi
oscillazione era sul tavolo e cominciavano a circolare progetti dettagliati per
la realizzazione di fasci di neutrini artificiali negli acceleratori di
particelle,che potessero verificare l’ipotesi in modo più controllato rispetto
ai neutrini atmosferici. In particolare si cominciò a progettare il CNGS, un
fascio di neutrini da realizzare al CERN di Ginevra e da indirizzare verso il
Gran Sasso. Purtroppo il progetto fu approvato solo nel 1999.
Nel frattempo nel 1996 era
entrato in funzione Super-Kamiokande, un gigante di 50000 tonnellate di acqua e
13000 fotomoltiplicatori. Al congresso sui neutrini del 1998, T. Kajita che lo
guidava poté presentare prove statisticamente significative che l’andamento in
funzione dell’angolo di Zenith dei neutrini muonici di alta energia era dovuto
alla loro trasformazione in neutrini tau.
L’annuncio della scoperta e
le successive pubblicazioni di Super-Kamiokande hanno valso nel 2015 il
meritato riconoscimento a T. Kajita.
Nello stesso congresso del
1998 anche l’esperimento MACRO mostrò i suoi risultati a favore dell’ipotesi
dell’oscillazione, ma forse con qualche incertezza dovuta alla minore qualità
dei dati. Successive conferme sono poi arrivate anche da MINOS, K2K, T2K,e
altri.
Infine nel 2015
l’esperimento OPERA ha annunciato la conclusiva scoperta dell’oscillazione dei
neutrini muonici in modo diretto, misurando cioè con buona significanza
statistica alcuni neutrini tau prodotti dalla trasformazione dei neutrini
muonici del CNGS.
Molto rimane ancora da
scoprire sul neutrino, ci piacerebbe per esempio sapere se coincide con la sua
antiparticella secondo l’ipotesi formulata da Ettore Majorana. Il decadimento doppio
beta senza neutrini, finora non osservato, è la via per dimostrarlo. La caccia
è aperta ai LNGS e in altri laboratori sotterranei nel mondo, il puzzle
continua a crescere.
Forse potrebbe essere utile
per l’impostazione della strategia europea sulla fisica del neutrino, rileggere
criticamente la storia della scoperta delle oscillazioni nel settore leptonico,
potremmo riflettere su tentennamenti, ipotesi teoriche non corrette, ritardi
nelle decisioni occorsi in questi decenni all’interno della comunità europea dei
fisici del neutrino.