Doppio Nobel 2015 al neutrino

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24/10/2015 17:06 - 17/01/2017 18:50 #167 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Doppio Nobel 2015 al neutrino
Doppio Nobel 2015 al neutrino
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Per domande: autore o Domanda a un esperto
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Fig. 1. Takaaki Kajita annuncia la scoperta da Nobel nel 1998
alla Conferenza Internazionale sul neutrino
Immagine University of Tokyo
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Fig. 2. Arthur McDonald nel suo laboratorio dopo il Nobel
Immagine MacLeans
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Il Nobel per la Fisica 2015 è stato assegnato a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald (figure 1 e 2) “per la scoperta delle oscillazioni di neutrino, la quale mostra che i neutrini hanno massa”. Sorgono domande. Che cosa è il neutrino? A che cosa serve? Come si è giunti alla scoperta che la sua massa non è nulla? Quale fenomeno è stato scoperto? E infine perché è da Nobel? Vi anticipiamo il sapore della risposta con una magica immagine di metamorfosi, di trasformazione, data dall'arte matematica di Maurits C. Escher e mostrata in figura 3.

La trattazione avrà un'impronta più informativa che didattica. Per approfondimenti, vedete Hic sunt neutrini .



Fig. 3. M.C. Escher, Metamorfosi 2, parte centrale di xilografia con dimensioni 19 cm x 390 cm (1939-1940)
Immagine da: All M.C. Escher works C 2013 The M.C. Escher Company - the Netherlands. All rights reserved. Used by permission www.mcescher.com

Il neutrino

Una lapidaria risposta alla prima domanda sul neutrino (ν, in carattere greco) è data da Leon Lederman , Premio Nobel 1988 proprio per ricerche su proprietà del neutrino, nel famoso libro La particella di Dio pubblicato nel 1993:

Ve ne sono tre tipi diversi.
I neutrini non sono usati per costruire la materia, ma sono essenziali per determinate reazioni.
Vincono il concorso minimalista: carica zero, raggio zero, e molto probabilmente massa nulla
”.

L'ipotesi dell'esistenza del neutrino - normalmente invisibile perché elettricamente neutro - fu formulata da Pauli nel 1930 per spiegare con la sua contemporanea emissione le caratteristiche di quella di elettroni nei processi di trasformazione radioattiva di un nucleo in uno di massa inferiore detti "decadimenti β". Le sue interazioni con la materia sono estremamente rare, tanto che passarono ben 26 anni prima che si riuscisse a osservarlo.

La massa del neutrino doveva essere molto piccola, perché non se ne manifestava alcun effetto: "in ogni caso non superiore a 0,01 volte la massa del protone", secondo Pauli. Tanto piccola che nelle teorie correnti le fu assegnato "d'ufficio" un valore nullo, che per motivi pratici mise la questione sotto il tappeto,

I tre tipi sono distinti perché la loro produzione in un processo fisico è associata rispettivamente a quella di un elettrone e, di un muone μ e di un leptone τ, queste ultime due essendo particelle con interazioni simili a quelle dell’elettrone ma con massa circa 200 e 3500 volte più grande. Una simile associazione accade nelle interazioni. I neutrini elettronico, muonico e tau (τ in carattere greco) sono rispettivamente indicati come νe , νμ e ντ .

L’aggettivo “minimalista” può fare supporre che il neutrino non conti nulla. Non è assolutamente così. Basti pensare che il neutrino è essenziale per lo svolgimento di processi essenziali per la nostra vita, le reazioni nucleari che avvengono all'interno del Sole e delle stelle: eliminate il neutrino e il Sole si spegne. Per sapere di più sul neutrino potete leggere il già citato Hic sunt neutrini .
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Fig. 4. I neutrini emergono direttamente dall’interno del Sole,
i fotoni seguono un percorso lungo e tortuosp
Immagine Watts up with that – Svalgaard - NASA
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Fig. 5. L’apparato sperimentale di SNO
Immagine SNO
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Neutrini solari

La figura 4 mostra che il nucleo delle stelle, e in particolare del nostro Sole, emette neutrini. Lo ripetiamo: senza di essi non vi avverrebbero le reazioni di fusione nucleare che producono il calore e la luce per noi vitali. E dice qualcosa di più. Le “particelle di luce” (fotoni) emesse dal Sole danno un’immagine dei suoi soli strati superficiali. Non soffrendo praticamente di alcun assorbimento, i neutrini danno informazioni dirette sui processi fisici che avvengono all’interno del Sole.

Potremmo dire informazioni online, ma con una connessione talmente lenta che richiede anni per accumularle, dato che solo raramente i neutrini si lasciano osservare. Infatti, la loro bassissima probabilità d’interazione con la materia li lascia emergere dal Sole, ma fa anche sì che pochissimi producano un segnale negli apparati sperimentali. Questo richiede peraltro che gli esperimenti siano situati in laboratori sotterranei, in modo che la roccia sovrastante agisca come “ombrello” protettivo dalle radiazioni cosmiche che piovono sulla Terra e che maschererebbero il segnale rendendone impossibile l'osservazione.

Raymond Davis e Masatoshi Koshiba ebbero il Premio Nobel 2002 proprio per avere dato l’avvio alla comprensione del "funzionamento" di Sole e stelle tramite l’osservazione dei neutrini emessi dal Sole.

I dati sperimentali racchiudevano anche un intrigante mistero: circa la metà dei neutrini sembrava perdersi per strada. Una possibile spiegazione era che avvenisse un fenomeno predetto da Bruno Pontecorvo nel 1957. Si profilò così l’ipotesi che i neutrini (di tipo elettronico) prodotti dal Sole “sparissero” in seguito ad una loro spontanea trasformazione (detta “oscillazione”, vedete Hic sunt neutrini ) in neutrini di altro tipo, non visibili dagli apparati sperimentali. Il fenomeno implica una massa non rigorosamente nulla del neutrino e quindi la concezione di teorie più avanzate di quelle di oggi, che assegnano ancora al neutrino una massa nulla: iniziò a essere sollevato il tappeto che, come detto sopra, nascondeva la questione della massa del neutrino.

L’ipotesi di trasformazione dei neutrini fu rafforzata dagli esperimenti GALLEX e il suo seguito GNO al Gran Sasso in Italia, SAGE in Russia e Super-KamiokaNDE in Giappone.

La conferma definitiva del fenomeno emerse nel 2001 già dai primi dati dell’esperimento SNO (Sudbury Neutrino Observatory) in Canada, condotto da McDonald e mostrato in figura 5. Il nucleo dell’apparato sperimentale era costituito da 1000 tonnellate di “acqua pesante” (D2 O, con Deuterio al posto dell’Idrogeno) ad altissima purezza e da circa 10000 occhi elettronici (“ fotomoltiplicatori ”) per osservare la flebile luce emessa dalle particelle prodotte nelle interazioni dei neutrini e da questo risalire ai neutrini stessi.

Il nucleo di Deuterio è costituito da un protone e da un neutrone, e offre ai neutrini due possibilità . Il neutrone vede solo i neutrini elettronici, che lo trasformano in un protone per cui dal numero di protoni osservati si può risalire al flusso di neutrini elettronici. Il nucleo nel suo complesso vede tutti i neutrini, e le loro interazioni possono essere contate osservando la scissione dei nuclei di Deuterio da esse indotta. L’ipotesi di trasformazione del neutrino fu definitivamente validata da SNO misurando con lo stesso apparato non solo la sparizione di neutrini elettronici ma anche l’immutato flusso complessivo dei neutrini nel percorso dal Sole alla Terra: i neutrini non si perdono per strada, si trasformano. Questa osservazione fornì la prova di una massa non nulla associata ai neutrini elettronici ed è alla base del Nobel.

Vedete Fusione nucleare, stelle e energia per approfondire le vostre conoscenze sui neutrini solari e Hic sunt neutrini per comprendere il fenomeno della oscillazione di neutrino.
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Fig. 6. Produzione di neutrini muonici
ed elettronici da parte di raggi cosmici
Immagine Boston University
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Fig. 7. L’apparato sperimentale dell’esperimento Super-KamiokaNDE
Immagine The gravity room
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Neutrini atmosferici

Non è solo il Sole a inondare la Terra di neutrini, dei cui effetti possiamo non curarci affatto per la nostra persona perché la materia è essenzialmente trasparente per loro. Misteriose sorgenti nel lontano Cosmo producono particelle di altissima energia (i cosiddetti “ raggi cosmici ”). La figura 6 mostra schematicamente che nelle loro interazioni con nuclei atomici nell’alta atmosfera terrestre sono generati due neutrini di tipo muonico per ogni neutrino di tipo elettronico.

Il fenomeno di trasformazione dipende dal rapporto L/E tra distanza percorsa L ed energia E dei neutrini. La distanza percorsa da questi neutrini (detti atmosferici) è al massimo pari al diametro terrestre - se prodotti nell’atmosfera agli antipodi dell’apparato sperimentale - ed è incomparabilmente inferiore alla distanza tra Sole e Terra. Inoltre, essi hanno energie molto più elevate di quelle dei neutrini solari. L/E era troppo piccolo per attendersi un effetto per i neutrini elettronici come quelli solari in relazione al valore della loro massa. Nel 1986-88 gli esperimenti IMB negli USA e KamiokaNDE in Giappone osservarono però un’apparente “sparizione” di neutrini muonici, presumibilmente causata da un fenomeno di oscillazione collegato ad una loro massa sempre molto piccola ma più elevata di quella associata ai neutrini elettronici. Dati precedentemente ottenuti dall’esperimento MACRO al Gran Sasso risultarono in accordo con l’effetto di sparizione, anche se di per sé stessi non determinanti.

L’apparato del successivo esperimento Super-KamiokaNDE - ora utilizzato dall'esperimento T2K – è mostrato in figura 7. Esso è costituito da circa 50000 tonnellate di acqua purissima e da una miriade di fotomoltiplicatori. La figura mostra schematicamente che il neutrino muonico interagendo nell’apparato sperimentale produce un muone. Il muone si muove a una velocità praticamente uguale a quella della luce nel vuoto e superiore a quella della luce nell’acqua. In queste condizioni esso produce luce per il cosiddetto “ effetto Cherenkov ”, analogo alla produzione di un fronte d’onda da parte di una barca che si muova a una velocità superiore a quella della propagazione delle onde. I dati sperimentali ottenuti sui neutrini atmosferici dall’esperimento Super-KamiokaNDE, presentati da Takaaki Kajita nel 1998 (figura 1), diedero una chiara prova dell’effetto di sparizione dei neutrini muonici e quindi di una massa non nulla dei neutrini.



Fig. 8. Il primo evento di oscillazione di neutrino μ in neutrino τ osservato dall'esperimento OPERA
(le barre orizzontale e verticale indicano la scala: 1000 μm = 1 mm, diversa nelle due direzioni)

L’effetto di "sparizione" fu confermato da esperimenti condotti con neutrini muonici artificialmente prodotti mediante acceleratori di particelle: K2K in Giappone, MINOS negli USA e T2K di nuovo in Giappone. La conferma più palese e senza appello a nessun grado è stata fornita dall’esperimento OPERA , situato al Gran Sasso sul fascio di neutrini muonici CNGS prodotto al CERN, con un percorso sotterraneo di circa 730 km (di banale facilità per i neutrini) prima di giungere a destinazione. OPERA ha direttamente visto “apparire” neutrini di tipo τ assenti al CERN, "fotografandoli" uno a uno con una speciale tecnica basata su speciali emulsioni fotografiche, e non più solamente dedotta da una sparizione di neutrini muonici. È questa una prova inequivocabile del fenomeno di oscillazione e della massa non nulla del neutrino, come il ritrovamento del “corpo del reato” - il neutrino τ - in un romanzo poliziesco. La figura 8 mostra uno dei rarissimi neutrini τ che l’esperimento OPERA è riuscito a identificare attraverso una osservazione di interazioni che li caratterizzino in modo univoco. Per maggiori dettagli vedete Hic sunt neutrini .


Fig. 9. Il triangolo del neutrino


Perché il Nobel

Il doppio Nobel 2015 al neutrino sancisce che la sua massa non è nulla. Lo dice il fatto che i neutrini νe , νμ e ντ non sono entità totalmente separate, ma propagandosi si trasformano uno nell'altro attraverso un piccolissimo effetto di massa quale è il fenomeno dell'oscillazione di neutrino. Tra i triangoli - sacri, scientifici, profani e molto profani - oggi abbiamo anche il "triangolo del neutrino", mostrato in figura 9: i neutrini che osserviamo non vivono isolati ma si parlano, se volete esprimervi così.

La massa del neutrino è un nuovo fatto sperimentale non contemplato nella "teoria vigente", il cosiddetto Modello Standard delle Particelle Elementari (vedete Interazione Elettro-Debole e Simmetrie e Interazioni Fondamentali ), che pragmaticamente lo considera di massa rigorosamente nulla. E' solo in fenomeni rari che i suoi effetti si manifestano.

La massa del neutrino apre una finestra sul futuro. La sfida per il domani è nel condurre esperimenti che scoprano altri fenomeni che amplino il quadro sperimentale e nel concepire visioni più avanzate che includano la massa del neutrino. Tali visioni che dovranno contemplare anche un meccanismo che giustifichi le masse così straordinariamente piccole dei neutrini. Insomma, la scoperta del bosone di Higgs ha fornito il tassello mancante per coronare l' attuale teoria delle particelle elementari, ma il "minimalista" neutrino è la prima sonda che entra un mondo nuovo.



Fig. 10. Wolfgang Pauli in un seminario tenuto nel 1929
Archivio Pauli, CERN (Ginevra)
Immagine American Institute of Physics

Wolfgang Pauli (figura 10) emise la razionale ma azzardatissima ipotesi dell'esistenza di una particella invisibile - oggi chiamata neutrino - in una famosa lettera del 4 dicembre 1930 ai "Liebe Radioaktive Dame und Herren" (Cari Signore e Signori Radioattivi) riuniti in Congresso a Tübingen, essendo egli trattenuto a Zurigo per un importante ballo di fine anno. Nella conclusione egli scrisse:

"Ich gebe zu, dass mein Ausweg vielleicht von vornherein wenig wahrscheinlich erscheinen mag [..]
Aber nur wer wagt, gewinnt"
Ammetto che la mia ipotesi possa sembrare a priori poco credibile [..] Ma solo chi osa vince.

Aveva trent'anni. Saggiamente osò, e andò a ballare.


Paolo Strolin

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 17/01/2017 18:50 da Paolo.

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