Alla ricerca di Majorana (ma solo tra le particelle)

Simmetria. In fisica può avere molti significati e nella scala della semplice percezione, essa potrebbe corrispondere a un’idea di fondo di bellezza, di completezza. Ai fisici non basta la presenza della semplice materia: essi sanno ad esempio che dovrebbe esistere una certa simmetria tra il mondo della materia e quello della materia dotata di carica opposta (e anche con qualche altra grandezza invertita), l’antimateria.

La materia ordinaria (quella che riempie l’universo, almeno nella sua parte conosciuta, e anche noi stessi) è fatta di atomi a loro volta composti da un nucleo costituito da protoni (carichi positivamente) e da neutroni (neutri), nucleo attorno al quale ruota una corte di elettroni carichi negativamente (nella visione classica). L’antiatomo avrà caratteristiche opposte: l’antiprotone sarà carico negativamente e l’antielettrone (chiamato positrone) avrà carica positiva. A questo punto, sorgerebbe la domanda: ma il neutrone, che è neutro, come può avere carica opposta? Per rispondere, dobbiamo scendere ancora più in profondità e dire che sia il protone sia il neutrone sono a loro volta composti di particelle più piccole, chiamate “quark”, dotate di carica (non intera) che nei corrispettivi antiquark cambia di segno. Ecco, a grandi linee, risolta la questione!

Sulle tracce dell'antimateria

Ciò che disturba i fisici è una mancanza di simmetria a scala ben più grande. In linea di principio, la teoria che descrive il mondo dell’infinitamente piccolo non esclude affatto la presenza di antimateria, la materia composta di antiparticelle: essa dovrebbe anzi avere pari dignità di quella ordinaria. Eppure, qualcosa non torna perché nel bilancio di ciò che è presente nell’universo, si scopre che quest’ultimo ospita quasi totalmente materia ordinaria. In pratica, dell’antimateria vi è pochissima traccia. E per certi versi è un bene, perché l’incontro fra materia e antimateria produrrebbe l’annichilazione totale delle masse coinvolte con grande produzione di energia.

Ecco che entrano in gioco gli elusivi neutrini. Di cosa siano queste particelle si è parlato diffusamente in un altro mio post su Blog Italia (Buone nuove dal gioco al biliardo con i neutrini). Si tratta di particelle molto poco disponibili a interagire con la materia, dotate di massa estremamente piccola. E, per quanto detto prima, accompagnati anch’essi dalla corrispettiva famiglia di antineutrini.

Cosa sono i neutrini

Tutta la fisica può essere ricondotta a quattro interazioni fondamentali: quella gravitazionale, quella elettromagnetica, quella che tiene unito il nucleo dell’atomo, detta “forte”, e quella che regola i processi di decadimento radioattivo, chiamata “debole”. Proprio quest’ultima rende conto della presenza dei neutrini. Se prendete un neutrone libero, in una ventina di minuti potreste vederlo trasformarsi in un protone e in un elettrone (in modo da rispettare la carica nulla iniziale) e ancora in un altro oggetto (per rispettare la legge di conservazione dell’energia) che è proprio l’antineutrino. Si parla in questo caso di “decadimento beta”. Anche il protone (però non libero) potrebbe subire la trasformazione opposta, diventando un neutrone assieme a un antielettrone (positrone) e a un neutrino. Il protone stesso, invece di decadere, potrebbe anche “catturare” un elettrone producendo un neutrone e un neutrino. Due decadimenti che offrono dunque la presenza “alternata” di un neutrino e di un antineutrino.

Il neutrino ha anche altre caratteristiche che lo rendono molto particolare. Senza entrare troppo nel dettaglio, queste particelle appartengono a tre famiglie diverse. E talvolta, per esempio percorrendo lunghi tragitti, un neutrino “Capuleti” potrebbe trasformarsi in un neutrino “Montecchi” o viceversa, tanto per omaggiare con un esempio Shakespeare pensando a due delle tre "famiglie". In pratica, un neutrino oscilla: oltre a essere elusivo sembrerebbe anche un grande... Indeciso.

L'esperimento CUORE

Nei prossimi anni, con l’esperimento CUORE inaugurato in questi giorni, acronimo di Cryogenic Underground Observatory for Rare Events, sotto i mille e quattrocento metri di roccia dei laboratori INFN del Gran Sasso, un rivelatore raffreddato alla temperatura di 273.15 gradi, molto vicino allo zero assoluto, cercherà di risolvere due dei misteri che ancora non hanno trovato risposta: l’esatto valore della piccolissima massa dei neutrini e l’asimmetria materia-antimateria nell’universo.

A questo punto, bisognerà domandarsi come sia possibile che una particella senza quasi massa possa addirittura spiegare l’assenza di antimateria nell’universo. Tenendo conto di un particolare tipo di decadimento beta, oggetto di questa esperienza, però... Ma vediamo nel dettaglio di cosa si tratta.

Il particolare decadimento beta in questione sarebbe in realtà un doppio decadimento beta (chiamato decadimento doppio beta) senza emissione di neutrini, evento molto raro che ha anche una sorta di sigla, abbastanza autoesplicativa: 0νββ (ν è il simbolo del neutrino: decadimento doppio beta senza neutrini). In pratica - e in modo molto semplificato - dato che la produzione di un neutrino in un decadimento beta è un evento scontato, in un doppio decadimento i neutrini dovrebbero annullarsi a vicenda quindi, in base a quanto detto più sopra, è come se il neutrino si annichilasse interagendo con il suo antineutrino. Ma per ottenere questa situazione, il neutrino dovrebbe coincidere con l’antineutrino, in pratica il neutrino dovrebbe corrispondere alla sua stessa antiparticella! Per meglio dire, neutrino e antineutrino dovrebbero corrispondere a stati diversi di un’unica particella.

La particella di Majorana

Un neutrino con queste caratteristiche potrebbe candidarsi a essere ciò che il famoso fisico Ettore Majorana ipotizzò qualche anno prima di scomparire misteriosamente nel 1938, ovvero la cosiddetta “particella di Majorana”. La conferma della sua esistenza sarebbe ancora una volta la celebrazione del pensiero di un altro grandissimo genio.

Anche se con grande libertà di interpretazione (mi sia perdonata questa licenza da parte dei puristi), dovremmo immaginarci una vasca con un pesce che abbia un lato ricoperto con scaglie di colore blu e l’altro di colore rosso. Due telecamere riprendono il pesce (che supponiamo immobile) da lati opposti. Poi nascondiamo la vasca dietro un sipario e riportiamo le immagini su due monitor diversi. Lo spettatore dirà che sta guardando due pesci, uno rosso e l’altro blu, disposti anche in maniera opposta nel senso testa-coda. La realtà, sappiamo, è ben altra e si cela dietro il sipario!

Se l’esperimento CUORE dovesse confermare l’esistenza di questo tipo di decadimento senza emissione di neutrini, con questa sorta di “oscillazione” materia-antimateria, si potrebbe cominciare a vedere la luce nella ricerca di una spiegazione legata all’anomalia dell’assenza di antimateria nel nostro universo. Infatti, una serie di eventi subito dopo il big bang potrebbe aver favorito una trasformazione a spese dell’altra.

Un decadimento doppio beta che farebbe somigliare il neutrino, più che a un pesce in una sovrapposizione di stati colorati, allo Stregatto Astratto: sparire e lasciare il sorriso stavolta sulle espressioni dei ricercatori.