Neutrini trasformisti

I neutrini non viaggiano più veloci della luce, ma cambiano famiglia di appartenenza: un mistero durato 50 anni risolto dal Cern e dai laboratori dell'Infn del Gran Sasso.

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Grafica: il processo di produzione del fascio di neutrini al CERN, © Marco Delmastro. I neutrini intercettati da OPERA sono prodotti dal fascio di protoni che circola nel Super Proton Synchrotron (SPS), il principale iniettore del Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Il fascio viene in parte convertito in mesoni (pioni e kaoni) che decadono in muoni e neutrini muonici.

Dopo la smentita della mirabolante scoperta che prometteva di rivoluzionare la fisica, la velocità superluminale dei neutrini, e poco dopo la performance teatrale di Marco Paolini sulla vita di Galileo, andata in scena il 25 aprile nei Laboratori dell'Infn del Gran Sasso (ne ha parlato pure il magazine del Fermilab di Chicago), dagli stessi laboratori arriva la notizia che i ricercatori dell'esperimento OPERA hanno trovato, per la seconda volta in due anni, un neutrino tauonico nel fascio di neutrini muonici che arriva dritto dal CERN di Ginevra, senza che nessuno si fosse preso la briga di spedirlo. Che cosa è successo? Da dove arriva l'intruso? Non può essere stato creato dal nulla!

 

Per comprendere la portata di questa scoperta conviene ricordare rapidamente che cosa sono i neutrini: particelle prive di carica elettrica prodotte in alcuni processi nucleari. Sono soggetti esclusivamente all'interazione debole, detta così non a caso perché è talmente poco significativa che i neutrini possono attraversare la materia quasi come se questa non ci fosse. Nel modello standard delle particelle elementari i neutrini vengono accoppiati ai leptoni carichi (elettrone, muone e tauone) per formare tra famiglie: elettrone e neutrino elettronico; muone e neutrino muonico; tauone e neutrino tauonico. Tre famiglie distinte che però nascondono un segreto, che come tutti i segreti ben custoditi è difficile da rivelare: ammettono scambi di coppia.

 

In effetti l'evento che si candida a rappresentare l'avvenuta trasformazione di neutrino muonico in un neutrino tauonico è stato trovato rovistando tra più di un migliaio di eventi contenuti nei dati raccolti nel 2010-2011, mentre il primo candidato era stato individuato due anni fa esaminando i dati del 2008-2009 in un campione di ben 2.783 eventi. L'evento è dunque raro e il risultato è significativo perché ricompone un puzzle che ha tormentato i fisici a partire dagli anni '60, da quando Raymond Davis e John Bahcall, in un laboratorio a 1.500 metri di profondità, rilevarono un flusso di neutrini provenienti dal Sole molto più basso di quanto previsto dal modello solare standard (Homestake experiment). Nelle misure di Davis e Bahcall alcuni neutrini, apparentemente, sparivano.

 

Grafica: da Focus 232 (febbraio 2012), © Focus. Per saperne di più sul modello standard delle particelle elementari e sulla meccanica quantistica: Focus 232 e Focus 234.

 

Fu Bruno Pontecorvo nel 1969 a suggerire l'idea che questo mistero si potesse spiegare con la fisica delle particelle. Pontecorvo ipotizzò che i neutrini "soffrono" di una sorta di "disturbo di personalità multipla" che li fa oscillare in stati diversi, e che nel lungo viaggio dal Sole alla Terra potevano trovare il tempo di cambiare famiglia. Poiché gli esperimenti erano in grado di rivelare solo i neutrini di un tipo (quelli associati agli elettroni), i neutrini che arrivavano a terra come neutrini di un'altra famiglia non erano contati: in questo modo il flusso osservato risultava inferiore a quello previsto.

 

La sparizione di neutrini di un certo tipo è stata osservata anche in esperimenti più recenti e con neutrini prodotti nelle collisioni tra i raggi cosmici e le particelle dell'atmosfera terrestre ed ha permesso di stabilire un altro importante risultato non previsto dal Modello Standard: i neutrini hanno massa, seppure piccolissima, e questa massa è diversa per ognuno di essi. Senza massa, infatti, non c'è oscillazione e lo scambio di famiglia non è possibile.

 

Perciò il risultato di OPERA è importante perché rivela "l'apparizione diretta" di un neutrino di una famiglia, il neutrino tauonico, in un fascio di neutrini di una famiglia differente, quella dei muoni, e rappresenta la definitiva conferma del meccanismo di oscillazione dei neutrini.

11 Giugno 2012 | Peppe Liberti

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