................ ................ ................

Gli articoli del gruppo Storie di quarks nel programma globale di Saggi tematici sulla Fisica moderna sono volti a dare sinteticamente una visione unitaria di argomenti il cui legante concettuale è il trattare di “insiemi di quarks”. Il filo conduttore della loro sequenza è illustrato nel primo articolo Quarks nell’evoluzione dell’Universo e consiste nel seguire la linea temporale dell’evoluzione dell’Universo.

Con Quarks e gluoni: c’era una volta … siamo partiti dal “plasma di quarks e gluoni” negli istanti iniziali dell’Universo. Seguendo il filo della sua evoluzione temporale, abbiamo visto come i quarks aggregandosi hanno formato il mondo attorno a noi. Con gli ultimi articoli torniamo nella fantastica realtà del Cosmo per giungere a parlare di estremi stati di aggregazione dei quarks in Stelle di neutroni e buchi neri . Quest’articolo parla dell’osservazione sperimentale che dimostrato la correttezza della visione dell’Implosione gravitazionale presentata in Implosione gravitazionale e Supernovae .

Fig. 1. Il Caravaggio, San Tommaso vuole toccare il costato di Cristo (1601-2) Bildergalerie, Potsdam (Germania), Immagine Wikipedia

...

Fig. 2. Il fiotto di 11 neutrini visti da KamiokaNDE Immagine Esperimento KamiokaNDE

Teoria e realtà?

San Tommaso lo aveva ben chiaro quando per prova della morte di Cristo volle vedere la ferita nel costato, come detto nel Vangelo (Giovanni, cap.XX, v.24-27) e ripreso dalla saggezza popolare nel proverbio “San Tommaso non ci crede finché non ci ficca il naso”. Lo rappresentò (figura 1) il Caravaggio (1571-1610), non a caso con Galileo (1564-1642) allo stesso volger della Storia.

Anche in materia di Scienza abbiamo imparato a credere solo a quello che osserviamo. Le più belle teorie crollano se non sono convalidate dall’osservazione sperimentale. Secondo il “racconto cosmico” esposto in Implosione gravitazionale e Supernovae , in un collasso stellare il fenomeno che determina l’esplosione di una Supernova è la trasformazione dei protoni in neutroni, con emissione di neutrini. Per avere una prova sperimentale della sua correttezza è quindi necessaria la concomitanza dell’improvvisa e temporanea apparizione di una Supernova e dell’osservazione del fiotto di neutrini.


La Supernova 1987A: anche neutrini !

L’osservazione di un fiotto di neutrini è resa molto difficile dalla loro bassissima probabilità di interagire con la materia in un apparato sperimentale, cioè con l’occhio strumentale costruito per vederli. Per avere speranza di osservarli, le Supernovae devono essere a distanze piccole su scala cosmica. Come riferito in Supernovae le Supernovae 1572 e 1604 erano esplose nella nostra galassia, a distanze rispettivamente di circa 10000 e 20000 anni-luce. Gentilmente, la prima successiva esplosione di grande intensità aspettò che fossero pronti apparati sperimentali atti a osservarli: la “ Supernova 1987A ” attese il febbraio 1987 per esplodere. Accadde nella Grande Nube di Magellano, “all’uscio di casa” (168000 anni-luce) della nostra galassia. Fu un epocale evento scientifico.

In totale, 24 “giovani” neutrini emessi nell’esplosione “solo” 168000 anni prima furono visti in laboratori sotterranei dagli esperimenti KamiokaNDE in Giappone (presentato in Fusione nucleare, stelle e energia in relazione ala rivelazione dei neutrini emessi dal Sole), IMB negli USA e INR a Baksan nel Caucaso. La collocazione in laboratori sotterranei provvede un “ombrello” di roccia per l’abbondantissima pioggia di particelle generate nelle interazioni dei raggi cosmici con l’atmosfera, che altrimenti sommergerebbe i rarissimi neutrini.

La figura 2 mostra il piccolo ma spettacolare fiotto di neutrini visto da KamiokaNDE entro una finestra temporale di soli 13 secondi: un gigantesco implosione in tempi praticamente nulli. L’immagine in figura 2 appare incredibile almeno quanto lo sarebbe un’alta colonna di sabbia che improvvisamente vedeste ergersi camminando nel deserto del Sahara. Secondo le stime, l’enorme numero di circa 10⁵⁸ neutrini fu proiettato nel Cosmo dall’esplosione. Questi “magnifici 24” furono intercettati dagli apparati sperimentali e vi lasciarono un segnale, nonostante la bassissima probabilità di interazione.

Come detto in Hic sunt neutrini , è oggi accertato che i neutrini hanno massa (a riposo) non nulla, seppur piccolissima. La Teoria della Relatività Speciale dice che la velocità di un corpo è inferiore a quella della luce di un’entità decrescente con l’aumentare del rapporto γ tra energia e massa a riposo. In linea di principio, le diverse energie dei neutrini emessi nell’implosione causano una dispersione dei loro tempi di arrivo. Tuttavia, la massa dei neutrini è tanto piccola che quantitativamente l’effetto atteso era minimo. In effetti, non se ne osservò alcuno.

............................................. Fig. 3. L’apparato sperimentale di KamiokaNDE Immagine Takaaki Kajita

...

...................... Fig. 4. Il neutrino n. 9 visto da KamiokaNDE Immagine Georg Raffelt – Varenna 2011

KamiokaNDE

L’apparato sperimentale di KamiokaNDE era costituito da un contenitore cilindrico di circa 16 metri di diametro e altrettanto di altezza, riempito di acqua. L’osservazione dei neutrini sfruttava il cono di luce Čerenkov emessa dagli elettroni in cui si trasformano in neutrini interagendo nell’acqua. Per osservare questa luce, la parete interna del contenitore era tappezzata di speciali dispositivi (“ fotomoltiplicatori ”) capaci di trasformare la luce in segnale elettrico. La figura 3 mostra l’interno del contenitore durante la fase di riempimento, con un gommone usato per mettere a punto i fotomoltiplicatori.

La figura 4 mostra il “neutrino n. 9”, identificabile dall’intersezione geometrica del cono di luce Čerenkov con la parete interna del contenitore. I fotomoltiplicatori colpiti sono indicati da pallini rossi di area proporzionale al segnale. Per una più estesa illustrazione degli esperimenti, dei dati e dei risultati, segnaliamo il seminario di Takaaki Kajita indicato dal collegamento.

.................................................................. Fig. 5. I tre anelli della Supernova 1987A (2006) Immagine Hubble Space Telescope Information Service

......

...................... Grandiosa coreografia cosmica L’emissione di neutrini fu indice di Implosione gravitazionale e quindi di Supernova di tipo II, secondo la classificazione esposta in Supernovae . Dopo l’esplosione in febbraio, la luminosità raggiunse il massimo in maggio e decrebbe in qualche mese. La Supernova 1987A non cessò di stupire. La radiazione ultravioletta emessa ionizzò la materia in tre anelli generati dalla stella progenitrice e li rese visibili. L’anello interno si accese ulteriormente quando fu investito dal materiale espulso dalla supernova. La figura 5 mostra un’immagine di venti anni dopo l’esplosione. La sequenza temporale della grandiosa coreografia cosmica è bellezza, fascino e mistero.

Galileo e Feynman

In pochi secoli, il metodo scientifico ci ha portati dal Sistema Solare alle Supernovae. Nel 1610 il Sidereus nuncius di Galileo Galilei riferiva di un nuovo mondo celeste aperto alla conoscenza dal cannocchiale e nel 1632 veniva infine pubblicato il Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo . Nel 1987 sono stati osservati i neutrini emessi in concomitanza con la Supernova 1987A: restano misteri da svelare, ma nella sostanza il modello teorico che descrive le Supernovae e la generazione di stelle di neutroni tramite un collasso stellare appare corretto.

L’essenza del metodo scientifico è detta con carismatica efficacia da Richard Feynman nelle famose lezioni tenute alla Cornell University nel 1964 e trascritte integralmente nel libro tradotto in italiano con il titolo La legge fisica (Ed. Bollati Boringhieri). Ascoltate Feynman . Ecco anche la trascrizione delle sue parole:

In general we look for a new law by the following process. First we guess it. Then we compute the consequences of the guess to see what would be implied if this law that we guessed is right. Then we compare the result of the computation to nature, with experiment or experience, compare it directly with observation, to see if it works. If it disagrees with experiment it is wrong. In that simple statement is the key to science. It does not make any difference how beautiful your guess is. It does not make any difference how smart you are, who made the guess, or what his name is – if it disagrees with experiment it is wrong. That is all there is to it.
( The character of the physical law , Capitolo 7, Seeking New Laws )


.