Un neutrino è una particella elementare che è molto simile a un elettrone, ma non ha carica elettrica. Ha una massa molto piccola, che può anche essere zero. La velocità del neutrino dipende anche dalla massa. La differenza nel tempo di arrivo della particella e della luce è 0,0006% (± 0,0012%). Nel 2011, durante l'esperimento OPERA, è stato riscontrato che la velocità dei neutrini supera la velocità della luce, ma l'esperienza indipendente non lo ha confermato.
La particella inafferrabile
Questa è una delle particelle più comuni nell'universo. Dal momento che interagisce molto poco con la materia, è incredibilmente difficile da rilevare. Elettroni e neutrini non partecipano alle interazioni nucleari forti, ma partecipano ugualmente a quelle deboli. Le particelle con queste proprietà sono dette leptoni. Oltre all'elettrone (e alla sua antiparticella, il positrone), i leptoni carichi includono il muone (200 masse di elettroni), la tau (3500 masse di elettroni) e le loro antiparticelle. Sono chiamati così: neutrini elettronici, muoni e tau. Ognuno di loro ha una componente anti-materiale chiamata antineutrino.
Muone e tau, come un elettrone, hanno particelle che li accompagnano. Questi sono i neutrini muoni e tau. I tre tipi di particelle sono diversi l'uno dall' altro. Ad esempio, quando i neutrini muonici interagiscono con un bersaglio, producono sempre muoni, mai tau o elettroni. Nell'interazione delle particelle, sebbene gli elettroni e i neutrini elettronici possano essere creati e distrutti, la loro somma rimane invariata. Questo fatto porta alla divisione dei leptoni in tre tipi, ognuno dei quali ha un leptone carico e un neutrino di accompagnamento.
Per rilevare questa particella sono necessari rivelatori molto grandi ed estremamente sensibili. Tipicamente, i neutrini a bassa energia viaggeranno molti anni luce prima di interagire con la materia. Di conseguenza, tutti gli esperimenti a terra con loro si basano sulla misurazione della loro piccola frazione che interagisce con registratori di dimensioni ragionevoli. Ad esempio, al Sudbury Neutrino Observatory, che contiene 1000 tonnellate di acqua pesante, circa 1012 neutrini solari al secondo passano attraverso il rivelatore. E se ne trovano solo 30 al giorno.
Cronologia delle scoperte
Wolfgang Pauli postulò per la prima volta l'esistenza di una particella nel 1930. All'epoca sorse un problema perché sembrava che l'energia e il momento angolare non fossero conservati nel decadimento beta. Ma Pauli ha osservato che se viene emessa una particella di neutrino neutro non interagente, si osserverà la legge di conservazione dell'energia. Il fisico italiano Enrico Fermi sviluppò la teoria del decadimento beta nel 1934 e diede il nome alla particella.
Nonostante tutte le previsioni, per 20 anni non è stato possibile rilevare sperimentalmente i neutrini a causa della sua debole interazione con la materia. Dal momento che le particelle non sono elettricamentecaricati, non sono influenzati dalle forze elettromagnetiche e, quindi, non provocano ionizzazione della materia. Inoltre, reagiscono con la materia solo attraverso interazioni deboli di forza trascurabile. Pertanto, sono le particelle subatomiche più penetranti, in grado di passare attraverso un numero enorme di atomi senza provocare alcuna reazione. Solo 1 su 10 miliardi di queste particelle, che viaggiano attraverso la materia per una distanza pari al diametro della Terra, reagisce con un protone o un neutrone.
Finalmente, nel 1956, un gruppo di fisici americani guidati da Frederick Reines annunciò la scoperta dell'elettrone-antineutrino. Nei suoi esperimenti, gli antineutrini emessi da un reattore nucleare hanno interagito con i protoni per formare neutroni e positroni. Le firme energetiche uniche (e rare) di questi ultimi sottoprodotti forniscono prove dell'esistenza della particella.
La scoperta di leptoni muonici carichi divenne il punto di partenza per la successiva identificazione del secondo tipo di neutrino - il muone. La loro identificazione è stata effettuata nel 1962 sulla base dei risultati di un esperimento in un acceleratore di particelle. I neutrini muonici ad alta energia sono stati prodotti dal decadimento dei mesoni pi e inviati al rivelatore in modo tale che le loro reazioni con la materia potessero essere studiate. Sebbene non siano reattivi, come altri tipi di queste particelle, è stato riscontrato che nelle rare occasioni in cui reagiscono con protoni o neutroni, i muoni-neutrini formano muoni, ma mai elettroni. Nel 1998, i fisici americani Leon Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinbergerha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica per l'identificazione del muone-neutrino.
A metà degli anni '70, la fisica dei neutrini è stata reintegrata con un altro tipo di leptoni carichi: la tau. Il tau neutrino e il tau antineutrino risultarono essere associati a questo terzo leptone carico. Nel 2000, fisici presso il National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi riportò le prime prove sperimentali dell'esistenza di questo tipo di particella.
Messa
Tutti i tipi di neutrini hanno una massa molto inferiore a quella delle loro controparti cariche. Ad esempio, gli esperimenti mostrano che la massa dell'elettrone-neutrino deve essere inferiore allo 0,002% della massa dell'elettrone e che la somma delle masse delle tre specie deve essere inferiore a 0,48 eV. Per molti anni è sembrato che la massa di una particella fosse zero, sebbene non ci fossero prove teoriche convincenti del perché dovrebbe essere così. Poi, nel 2002, il Sudbury Neutrino Observatory ha fornito la prima prova diretta che i neutrini elettronici emessi dalle reazioni nucleari nel nucleo del Sole cambiano tipo mentre lo attraversano. Tali "oscillazioni" dei neutrini sono possibili se uno o più tipi di particelle hanno una piccola massa. I loro studi sull'interazione dei raggi cosmici nell'atmosfera terrestre indicano anche la presenza di massa, ma sono necessari ulteriori esperimenti per determinarla in modo più accurato.
Fonti
Fonti naturali di neutrini sono il decadimento radioattivo degli elementi nelle viscere della Terra, in cuiviene emesso un grande flusso di elettroni-antineutrini a bassa energia. Anche le supernove sono un fenomeno prevalentemente di neutrini, poiché solo queste particelle possono penetrare nel materiale superdenso prodotto in una stella che collassa; solo una piccola parte dell'energia viene convertita in luce. I calcoli mostrano che circa il 2% dell'energia solare è l'energia dei neutrini prodotti nelle reazioni di fusione termonucleare. È probabile che la maggior parte della materia oscura nell'universo sia costituita da neutrini prodotti durante il Big Bang.
Problemi di fisica
I campi relativi ai neutrini e all'astrofisica sono diversi e in rapido sviluppo. Le attuali domande che attraggono un gran numero di sforzi sperimentali e teorici sono le seguenti:
- Quali sono le masse dei diversi neutrini?
- In che modo influenzano la cosmologia del Big Bang?
- Oscillano?
- I neutrini di un tipo possono trasformarsi in un altro mentre viaggiano attraverso la materia e lo spazio?
- I neutrini sono fondamentalmente diversi dalle loro antiparticelle?
- In che modo le stelle collassano e formano le supernove?
- Qual è il ruolo dei neutrini in cosmologia?
Uno dei problemi storici di particolare interesse è il cosiddetto problema dei neutrini solari. Questo nome si riferisce al fatto che durante diversi esperimenti a terra condotti negli ultimi 30 anni, sono state costantemente osservate meno particelle del necessario per produrre energia emessa dal sole. Una delle sue possibili soluzioni è l'oscillazione, cioè la trasformazione dell'elettronicaneutrini in muoni o tau durante il viaggio verso la Terra. Poiché è molto più difficile misurare muoni a bassa energia o neutrini tau, questo tipo di trasformazione potrebbe spiegare perché non osserviamo il numero corretto di particelle sulla Terra.
Quarto Premio Nobel
Il Premio Nobel per la Fisica 2015 è stato assegnato a Takaaki Kajita e Arthur McDonald per la loro scoperta della massa del neutrino. Questo è stato il quarto premio di questo tipo relativo alle misurazioni sperimentali di queste particelle. Alcuni potrebbero chiedersi perché dovremmo preoccuparci così tanto di qualcosa che interagisce a malapena con la materia ordinaria.
Il fatto stesso che possiamo rilevare queste particelle effimere è una testimonianza dell'ingegnosità umana. Poiché le regole della meccanica quantistica sono probabilistiche, sappiamo che anche se quasi tutti i neutrini passano attraverso la Terra, alcuni di essi interagiranno con essa. Un rilevatore abbastanza grande da rilevarlo.
Il primo dispositivo del genere fu costruito negli anni Sessanta nelle profondità di una miniera nel South Dakota. La miniera è stata riempita con 400 mila litri di liquido detergente. In media, una particella di neutrino ogni giorno interagisce con un atomo di cloro, trasformandolo in argon. Incredibilmente, Raymond Davis, che era responsabile del rivelatore, ha escogitato un modo per rilevare questi pochi atomi di argon e quattro decenni dopo, nel 2002, è stato insignito del Premio Nobel per questa straordinaria impresa tecnica.
Nuova astronomia
Poiché i neutrini interagiscono così debolmente, possono percorrere grandi distanze. Ci danno l'opportunità di guardare in luoghi che altrimenti non vedremmo mai. I neutrini scoperti da Davis sono stati prodotti da reazioni nucleari che hanno avuto luogo proprio nel centro del Sole e sono stati in grado di sfuggire a questo luogo incredibilmente denso e caldo solo perché difficilmente interagiscono con altra materia. È anche possibile rilevare un neutrino che vola dal centro di una stella che esplode a più di centomila anni luce dalla Terra.
Inoltre, queste particelle permettono di osservare l'universo su una scala molto piccola, molto più piccola di quella che può esaminare il Large Hadron Collider di Ginevra, che ha scoperto il bosone di Higgs. È per questo motivo che il Comitato Nobel ha deciso di assegnare il Premio Nobel per la scoperta di un altro tipo di neutrino.
Misteriosa scomparsa
Quando Ray Davis osservò i neutrini solari, trovò solo un terzo del numero previsto. La maggior parte dei fisici credeva che la ragione di ciò fosse una scarsa conoscenza dell'astrofisica del Sole: forse i modelli dell'interno della stella sopravvalutavano il numero di neutrini prodotti in essa. Eppure nel corso degli anni, anche se i modelli solari sono migliorati, le carenze sono persistite. I fisici hanno attirato l'attenzione su un' altra possibilità: il problema potrebbe essere correlato alla nostra comprensione di queste particelle. Secondo la teoria allora prevalente, non avevano massa. Ma alcuni fisici hanno sostenuto che le particelle avessero effettivamente un infinitesimomassa, e questa massa era la ragione della loro carenza.
Particella a tre facce
Secondo la teoria delle oscillazioni dei neutrini, in natura esistono tre diversi tipi di neutrini. Se una particella ha massa, mentre si muove, può cambiare da un tipo all' altro. Tre tipi - elettrone, muone e tau - quando interagiscono con la materia possono essere convertiti nella corrispondente particella carica (elettrone, muone o tau leptone). "L'oscillazione" si verifica a causa della meccanica quantistica. Il tipo di neutrino non è costante. Cambia nel tempo. Un neutrino, che ha iniziato la sua esistenza come elettrone, può trasformarsi in un muone e poi tornare indietro. Pertanto, una particella formata nel nucleo del Sole, in viaggio verso la Terra, può trasformarsi periodicamente in un muone-neutrino e viceversa. Poiché il rivelatore Davis poteva rilevare solo neutrini elettronici in grado di portare alla trasmutazione nucleare del cloro in argon, sembrava possibile che i neutrini mancanti si fossero trasformati in altri tipi. (A quanto pare, i neutrini oscillano all'interno del Sole, non sulla strada per la Terra.)
Esperimento canadese
L'unico modo per testarlo era costruire un rivelatore che funzionasse per tutti e tre i tipi di neutrini. Dagli anni '90, Arthur McDonald della Queen's Ontario University ha guidato il team che lo ha fatto in una miniera a Sudbury, nell'Ontario. La struttura conteneva tonnellate di acqua pesante in prestito dal governo canadese. L'acqua pesante è una forma d'acqua rara ma presente in natura in cui l'idrogeno, contenente un protone,sostituito dal suo isotopo più pesante deuterio, che contiene un protone e un neutrone. Il governo canadese ha accumulato acqua pesante perché utilizzata come refrigerante nei reattori nucleari. Tutti e tre i tipi di neutrini potrebbero distruggere il deuterio per formare un protone e un neutrone, quindi i neutroni sono stati contati. Il rivelatore ha registrato circa tre volte il numero di particelle rispetto a Davis, esattamente il numero previsto dai migliori modelli del Sole. Ciò suggeriva che l'elettrone-neutrino potesse oscillare nei suoi altri tipi.
Esperimento giapponese
Più o meno nello stesso periodo, Takaaki Kajita dell'Università di Tokyo stava facendo un altro straordinario esperimento. Un rivelatore installato in una miniera in Giappone ha registrato neutrini provenienti non dalle viscere del Sole, ma dall' alta atmosfera. Quando i protoni dei raggi cosmici entrano in collisione con l'atmosfera, si formano sciami di altre particelle, inclusi i neutrini muonici. Nella miniera hanno trasformato i nuclei di idrogeno in muoni. Il rivelatore Kajita poteva vedere le particelle arrivare in due direzioni. Alcuni sono caduti dall' alto, provenienti dall'atmosfera, mentre altri si sono spostati dal basso. Il numero di particelle era diverso, il che indicava la loro diversa natura: si trovavano in punti diversi dei loro cicli di oscillazione.
Rivoluzione scientifica
È tutto esotico e sorprendente, ma perché le oscillazioni e le masse dei neutrini attirano così tanta attenzione? Il motivo è semplice. Nel modello standard della fisica delle particelle sviluppato negli ultimi cinquant'anni del ventesimo secolo,che descriveva correttamente tutte le altre osservazioni negli acceleratori e in altri esperimenti, i neutrini avrebbero dovuto essere privi di massa. La scoperta della massa del neutrino suggerisce che manca qualcosa. Il Modello Standard non è completo. Gli elementi mancanti devono ancora essere scoperti, attraverso il Large Hadron Collider o un' altra macchina ancora da creare.
