Sono in atto diversi esperimenti in varie parti del mondo atti a determinare se il neutrino ha massa. Volevo sapere se qualcuno di questi esperimenti ha permesso di risolvere il problema in maniera certa e definitiva.

Il neutrino

Il neutrino e’ una particella particolarmente elusiva. Lo dimostra la sua
storia (vedi
box)
e il fatto che ancora molte delle sue proprieta’ restano da determinare.
Possiamo pero’ affermare che almeno uno dei dubbi che lo riguardavano
ha avuto un decisivo impulso verso una soluzione. I risultati pubblicati
nel 1998 dalla collaborazione dell’esperimento SuperKamiokande (SK nel
seguito) in Giappone indicano chiaramente che il neutrino oscilla ed e’
quindi dotato di massa. I risultati di altri esperimenti, pur non rivelando
in maniera cosi’ eclatante questa oscillazione, pongono limiti che risultano
compatibili con il risultato di SK.

Cerchiamo ora di capire come viene studiato il neutrino, cosa si intende
per oscillazione e come, nonostante questa scoperta, molto resta ancora
da fare.

Il neutrino esiste in tre forme, associate ai leptoni elettrone, muone e
tau (il neutrino-tau e’ stato identificato per la prima volta in maniera
diretta meno di un anno fa, dall’esperimento DONUT al Fermilab). Le sorgenti
che producono neutrini sono principalmente:

·
le reazioni termonucleari di fusione dell’idrogeno
che avvengono nel nucleo del Sole (neutrini solari);

·
l’interazione dei raggi cosmici (particelle energetiche,
principalmente protoni e nuclei di elio, che permeano lo spazio esterno)
con l’atmosfera terrestre (neutrini atmosferici);

·
gli urti o il decadimento di particelle agli acceleratori
e nelle centrali nucleari (neutrini da acceleratore).

Inoltre essi sono anche prodotti da varie sorgenti astrofisiche e sono previsti
dalle teorie cosmologiche come residui fossili del big-bang.

Gli esperimenti che intendono rivelarli devono progettare il loro apparato
in
relazione
all’energia e al tipo di neutrino prodotti da queste sorgenti. Superkamiokande
era stato progettato per rivelare il decadimento del protone.
E’ costituito da una vasca
contenente 50000 tonnellate di acqua e circondata da rivelatori di luce
(fotomoltiplicatori) che servono ad identificare le particelle prodotte
dal decadimento del protone. Naturalmente esistono molte altre reazioni
spurie che inquinano il possibile segnale del decadimento e che devono
essere riconosciute e rigettate. Tra queste, sebbene in minoranza, vi
sono anche le reazioni indotte dai neutrini atmosferici e solari.

Un neutrino, sia esso elettronico, muonico o tau, e’ in grado di attraversare
lo spessore terrestre senza subire alcuna interazione. Dei numerosi neutrini
che attraversano la vasca di acqua (circa 1017 ogni secondo
provenienti dal sole e un milione dalle reazioni dei raggi cosmici con
l’atmosfera), SK ne rivela circa uno ogni ora e mezzo.

Questi interagiscono con i nuclei dell’acqua, andando ad urtare i quark
che costituiscono i protoni e neutroni dei nuclei. Nella reazione si creano
elettroni o muoni che fuggono dal nucleo e percorrono alcuni metri in
acqua dove emettono luce Cherenkov, che viene vista dai fotomoltiplicatori.
Da qui e’ possibile conoscere la direzione di provenienza del neutrino.
Studiando queste direzioni e’ possibile capire se il neutrino nel suo
viaggio dal punto di produzione al rivelatore ha oscillato.
(Nota: Una descrizione semplice e completa dell’esperimento
SK e dei risultati sullo studio dei neutrini si puo’ trovare sul fascicolo
di ottobre 1999 del “Le Scienze”, nell’articolo “Alla scoperta
della massa del neutrino”)
.

Oscillazioni e massa

Con oscillazione si intende la trasformazione di un determinato tipo di
neutrino
in un altro tipo; ad esempio
un decadimento beta produce un neutrino muonico (
nm)
che si trasforma nel suo tragitto in un neutrino tau (
nt)(vedi
figura).

Questo effetto e’ di carattere tipicamente quantistico. Volendo trovare
un’analogia possiamo paragonarlo allo stato di polarizzazione della luce
che, attraversando determinate sostanze, puo’ cambiare in relazione alla
lunghezza percorsa.

La trasformazione dipende dalla distanza percorsa e da altri due parametri:
la differenza di massa tra i due tipi di neutrini (
Dm) e il cosiddetto angolo di mixing (q), che ci dice di quanto i due neutrini sono in grado
di sovrapporsi. Il tutto si esprime matematicamente dicendo che la probabilita’
che un neutrino di tipo i e di energia E si possa trasformare
in un neutrino di tipo j dopo aver percorso lo spazio L
e’:

P(ni ->
nj)
= sin2(2
q) * sin2(1.27*Dm2 * L/E)

Quello che importa vedere e’ che se la massa del neutrino e’ zero allora
Dm e’ necessariamente
nullo e la probabilita’ e’ zero: non e’ possibile osservare alcuna oscillazione.
Al contrario se si osserva un’oscillazione (una trasformazione del neutrino
da un tipo ad un altro) allora
Dm deve essere
diverso da zero.

Non descrivo come SK sia giunto all’evidenza dell’oscillazione del neutrino;
l’articolo citato de “Le Scienze” e’ sicuramente piu’ adeguato
allo scopo. Voglio pero’ indicare come il risultato di SK sia concorde
a quello di altri esperimenti che, con metodi anche diversi, studiano
i neutrini atmosferici.

La figura mostra un grafico in cui sono riportati i valori dei due parametri
chiave dell’oscillazione:
Dm e il seno
dell’angolo di mixing sin2(2
q) che compaiono
nella formula scritta in precedenza.

Ogni esperimento, anche se non osserva direttamente l’oscillazione (come
MACRO, SOUDAN2), e’ in grado di individuare delle zone dove possono trovarsi
questi parametri (l’area a destra delle curve verdi (MACRO) e marroni
(SOUDAN2)).

In piu’ SK (la linea in rosso) indica i valori dei parametri calcolati.
Si vede che questi si trovano ben all’interno delle zone permesse dagli
altri esperimenti, rendendoci confidenti del risultato. Lo scopo degli
esperimenti futuri sara’ quello di restringere queste zone e dare cosi’
dei limiti piu’ stringenti alla fisica del neutrino, di cui la determinazione
della massa e’ solo uno dei punti da chiarire.

Il futuro

I risultati di SuperKamiokande sono convincenti, perche’ il segnale che
indica l’oscillazione e’ statisticamente molto significativo e perche’
le sistematiche dell’esperimento sono ben sotto controllo; in effetti
il segnale dei neutrini sul fondo di raggi cosmici e’ cosi’ piccolo che
bastano piccole inefficienze per avere un segnale spurio identificabile
come oscillazione.

Ma un principio cardine della ricerca scientifica e’ la ripetibilita’ dei
risultati; e’ necessario che anche altri esperimenti diano dei risultati
simili, magari utilizzando tecniche diverse.

Nello studio dei neutrini solari saranno determinanti i due esperimenti
SNO (Sudbury Neutrino Observatory) in Canada, che gia’ prende dati, e
l’esperimento, in gran parte italiano, Borexino, in costruzione nei laboratori
Nazionali del Gran Sasso. Questi osserveranno i neutrini provenienti dalle
varie reazioni termonucleari della catena p-p di fusione.

Interessanti sono i tre esperimenti che utilizzeranno fasci di neutrini
generati appositamente da accelleratori e indirizzati, a distanza di molti
chilometri, verso il rivelatore. In Giappone lo stesso SK viene utilizzato
nell’esperimento K2K (KEK to Kamioka) per osservare i neutrini prodotti
da KEK, a 250km di distanza. I primi neutrini sono gia’ stati osservati
a partire dal giugno 1999 e le prime analisi indicano un deficit di eventi,
come atteso dall’oscillazione (27 eventi contro i 40 attesi in assenza
di oscillazione); ma la significativita’ statistica e’ ancora bassa.

In america un fascio partira’ dal Fermilab nel 2003 e raggiungera’ l’esperimento
MINOS distante 730km.

Anche l’Italia verra’ attraversata da un fascio di neutrini prodotti al
CERN di Ginevra e arrivera’ fino ai laboratori del Gran Sasso, dove l’esperimento
OPERA avra’ il compito di rivelarli (vedi figura).

Altri esperimenti dovrebbero essere citati, come quelli che usano il ghiaccio
dell’Antartide (AMANDA, ICECUBE) o l’acqua dell’oceano (NESTOR,ANTARES
) come rivelatore, ed altri ancora. Rimando il lettore ai rispettivi siti
web, riportati nella prossima sezione.

Riferimenti

L’articolo de “Le Scienze” sull’esperimento SuperKamiokande e
la scoperta dell’oscillazione del neutrino. “Alla scoperta della
massa del neutrino” Le Scienze ottobre (1999).

Un documento divulgativo ma
completo sull’oscillazione del neutrino, contenente anche un profilo storico
della fisica del neutrino, si trova (in formato postscript) su:

http://www.phys.hawaii.edu/~jgl/post/neutrinos.ps

I siti web degli esperimenti citati (in inglese):

SuperKamiokande
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/doc/sk/index.html

K2K
http://neutrino.kek.jp/

OPERA
http://opera.web.cern.ch/opera/

Borexino
http://almime.mi.infn.it

SNO
http://www.sno.phy.queensu.ca/

ANTARES (contiene anche un’interessante sezione che descrive la fisica dell’esperimento)
http://antares.in2p3.fr/

AMANDA – ICECUBE
http://amanda.berkeley.edu/amanda/amanda.html
http://www.ps.uci.edu/~icecube/workshop.html

NESTOR
http://www.nestor.org.gr/

MINOS
http://www-numi.fnal.gov:8875/

DONUT
http://fn872.fnal.gov/

Il padre di tutti i siti sull’industria del neutrino….:
http://hepunx.rl.ac.uk/neutrino-industry/

Breve storia
del neutrino

La prima indicazione dell’esistenza di una particella neutra, debolmente
intereagente con la materia e di massa molto piccola e’ venuta
nel 1933 con l’osservazione del decadimento beta, ovvero della
trasformazione di un neutrone in protone con emissione di un elettrone
e, appunto, di un neutrino.
(vedi figura)

Questa reazione avviene abitualmente in molte sostanze radioattive e all’epoca
era stata osservata nel decadimento del 60Co (vedi
figura).Gli sperimentatori osservavano i prodotti del decadimento:
il Ni e l’elettrone, di cui misuravano l’energia arrivando invariabilmente
alla conclusione che qualcosa mancava: il bilancio energetico
della reazione indicava che dell’energia andava persa. Si guardo’
anche alla violazione del principio di conservazione dell’energia
come ad una possibile soluzione… Fu W. Pauli a risolvere il
mistero ipotizzando l’esistenza di una particella neutra e di
piccola massa. E. Fermi introdusse questa particella nella sua
teoria del decadimento beta e la chiamo’ neutrino.

Il neutrino interagisce debolmente con la materia: la sua identificazione
diretta e’ molto difficile ed e’ avvenuta solamente nel 1956 da
parte di F.Reynes e C.Cowan, che cercavano di fare iteragire gli
anti-neutrini prodotti da una centrale nucleare, su i protoni
del rivelatore (una vasca d’acqua) secondo la reazione:

_

n + p ->
n + e+ (decadimento beta-inverso)

Nel quadro teorico che si veniva delineando in quegli anni si supponeva
l’esistenza di tre tipi di sapori del neutrino associati ai tre
leptoni elettrone, muone e tau. Inoltre nel modello standard,
che avrebbe assunto la sua forma compiuta negli anni settanta,
veniva posta una massa nulla per i neutrini.

Contemporaneamente i primi esperimenti per la rivelazione dei neutrini
dal Sole, pioniere Homestakes nelle miniere del Sud Dakota, mostravano
un imbarazzante deficit di eventi rispetto alle previsioni del
modello solare standard. Comincio’ a delinearsi un “problema
del neutrino solare” e quindi l’esigenza di costruire nuovi
esperimenti che studiassero a piu’ ampio raggio questa nuova fisica
e fornissero dei dati solidi su cui basare le teorie.

Dare massa al neutrino sembrava la soluzione ideale, grazie al fenomeno
delle oscillazioni tra i sapori. Inoltre un neutrino massivo,
che similmente alla radiazione di fondo a 2.7 oK permea l’universo
seguendo le leggi gravitazionali, era il candidato favorito al
ruolo di massa oscura. Ma i limiti sulla sua massa, e in particolar
modo quelli ottenuti da SK, avrebbero giustificato solo in parte
questa ipotesi.

Il capitolo piu’ recente della storia del neutrino e’ stato scritto nel
2000 con l’identificazione diretta del neutrino tau da parte di
DONUT (direct Observation of the NU Tau) al Fermilab. Insieme
alla scoperta del quark top nel 1995 da parte dell’esperimento
CDF, sempre al Fermilab, la scoperta di DONUT ha completato il
quadro sperimentale delle tre famiglie leptoniche (e-
ne, mnm, tnt)
e adroniche dei quark (up-down, strange-charm, top-bottom).