La nuova apparizione dei neutrini

In un articolo pubblicato il 22 maggio su Physical Review Letters, la collaborazione OPERA ha riportato l’apparizione di dieci neutrini tau nel fascio puro di neutrini muonici Cngs (Cern Neutrinos to Gran Sasso), fornendo così con un grande livello di confidenza la prova conclusiva dell’oscillazione del neutrino muonico in neutrino tau in modo diretto.

Il fascio di neutrini muonici era prodotto dal complesso degli acceleratori del CERN di Ginevra e inviato verso il Laboratorio del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), dove era situato l’esperimento OPERA. Grazie all’estrema rarità delle loro interazioni con la materia, infatti, i neutrini potevano arrivare indisturbati al Gran Sasso, dopo aver viaggiato per 730 km attraverso la roccia terrestre.

I neutrini e l’oscillazione

I neutrini sono tra le particelle più presenti nell’universo di materia conosciuta, all’incirca un miliardo di volte più numerosi dei protoni e dei neutroni di tutte le stelle. Decine di miliardi al secondo di neutrini, prodotti nelle interazioni di fusione nucleare nel cuore del sole, attraversano ogni centimetro quadrato del nostro corpo; un fiotto violento di neutrini è emesso dalle stelle morenti; sono presenti nella pioggia incessante di raggi cosmici che attraversa l’atmosfera, e sono associati al decadimento spontaneo degli isotopi radioattivi presenti nella roccia terrestre.

Sappiamo che esistono tre diversi tipi o “sapori” di neutrini, elettronico-muonico e tau e che possono trasmutarsi da uno all’altro viaggiando nello spazio e nello tempo. Questo fenomeno noto come oscillazione del neutrino, ipotizzato in un lavoro pionieristico da Bruno Pontecorvo già negli anni ’50, è la prova che il neutrino possiede una massa, ancorché piccolissima. E’ questo un segnale di nuova fisica al di là del Modello Standard delle particelle elementari, che viceversa prevedeva che non avessero massa.

L’evidenza sperimentale di tale fenomeno è stata ottenuta, come nella costruzione di un puzzle, nel corso di decenni da numerosi esperimenti in Europa, in Giappone, Stati Uniti e Canada ed è stata premiata dall’attribuzione del premio Nobel per la fisica nel 2015.

Unicità dell’esperimento OPERA

Quando un neutrino interagisce con la materia può convertirsi nel leptone carico con lo stesso sapore e nome (un neutrino elettronico in un elettrone, e così via). OPERA è l’unico esperimento in grado di identificare e misurare nello stesso apparato i tre leptoni e quindi di distinguere le interazioni dei differenti neutrini.

Alcuni esperimenti in funzione a cavallo del millennio avevano mostrato che i neutrini muonici, dopo aver percorso lunghe distanze, producevano meno muoni del previsto nella loro interazione con i rivelatori: questo aveva suggerito che i neutrini muonici oscillassero in altri tipi di neutrini. Poiché gli elettroni rivelati erano consistenti con le previsioni, i fisici avevano ipotizzato che i neutrini muonici oscillassero in neutrini tau. Questo fatto è stato confermato in modo definitivo da OPERA, attraverso l’osservazione diretta dell’apparizione dei neutrini tau alla distanza di 730 km dalla sorgente dei neutrini muonici. L’esperimento OPERA, operativo al Gran Sasso dal 2008 fino al 2012, ha utilizzato una tecnica che associava sottili fogli di piombo a speciali lastre fotografiche, dette emulsioni nucleari, in grado di localizzare le particelle con precisione micrometrica. L’apparato poteva essere definito come una gigantesca macchina fotografica con una massa totale di 4000 tonnellate, in grado di riconoscere e registrare le interazioni dei neutrini tau prodotti e quindi di dimostrare nel modo più immediato e diretto l’esistenza del fenomeno delle oscillazioni.

Il primo evento di neutrino tau era stato annunciato da OPERA nel 2010 e oggi la Collaborazione ha presentato in un seminario al Laboratorio del Gran Sasso i risultati finali che vanno di là dalle migliori aspettative.

Alcune diverse applicazioni

L’uso di un così grande numero di emulsioni nucleari ha stimolato uno sforzo tecnologico che ha consentito lo sviluppo di tecniche di analisi veloci e completamente automatiche delle tracce lasciate dalle particelle. Questi rivelatori sono oggi usati anche in applicazioni del tutto diverse che vanno dalla ricerca d’interazioni con la materiale oscura dell’universo, all’utilizzazione nell’adroterapia, allo studio dell’interno dei vulcani e della grande Piramide detta di Cheope, sfruttando i raggi cosmici.