Come si misura la velocità dei neutrini?

Chilometri diviso secondi, uguale velocità. Banale, se non fosse che... Come si misura la distanza tra due punti attraverso la Terra? A questa e altre domande risponde Marco Delmastro, fisico sperimentale al Cern.

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Un elemento di OPERA - il bersaglio del fascio di neutrini - nel laboratorio di test, al CERN l'8 maggio 2006, prima di essere trasportato ai Laboratori Infn del Gran Sasso (© CERN 2006).

Marco Delmastro è un fisico delle particelle al CERN di Ginevra nell'esperimento ATLAS. Online ha un blog, Borborigmi, e una pagina in inglese con il riepilogo delle sue pubblicazioni scientifiche.

Sono stato molto incerto su cosa scrivere dopo avere letto il preprint di OPERA, e soprattutto dopo aver assistito al seminario [del 23 settembre, n.d.r.] che illustrava la misura della velocità apparentemente superluminale dei neutrini. Sono stato incerto perché, come c'era da aspettarsi, avere a disposizione i dettagli della misura provoca spesso più domande che risposte nella testa di un fisico sperimentale. Domande in parte poste dalla platea allo speaker immediatamente dopo il seminario, ma che non hanno comunque avuto risposte complete, soddisfacenti, approfondite, cosa peraltro normale alla fine di un seminario. A riportare più domande che rispose, immagino che quelli di voi in attesa di lumi certi e definitivi potrebbero restare delusi. Come se non bastasse, molti aspetti della misura sono veramente parecchio tecnici, e potrebbe diventare noioso o difficile discuterli. Anche se è probabilmente proprio in quelle tecnicità che si annida la solidità, o la fragilità, del risultato.
 
LA VELOCITÀ Come fa OPERA a misurare la velocità dei neutrini che vengono spediti dal CERN verso i Laboratori del Gran Sasso? La risposta a questa domanda è a una prima occhiata banale. La velocità di un oggetto in movimento a velocità costante può essere misurata con un approccio classico, facendolo viaggiare su una distanza nota e misurandone il tempo di percorrenza. Velocità uguale distanza diviso tempo, e il gioco è fatto. Il problema, in particolare per le misure di oggetti che si muovono molto veloci, è che occorre scegliere una distanza molto grande che si è in grado di misurare con precisione, ed essere altrettanto precisi nel misurare il tempo di percorrenza. Quanto distante? Quanto preciso?

Qual è la distanza tra il Cern e il Gran Sasso? Come scatta il cronometro che prende il tempo della corsa dei neutrini? Come si fabbricano i neutrini? Video, approfondimenti e opinioni di esperti sulla scoperta che promette di rivoluzionare la scienza nel dossier di Focus.it.

I Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) distano dal punto al CERN da cui parte il fascio di neutrini circa 730 km. OPERA sostiene di aver misurato questa distanza con la precisione di 20 centimetri. Ovvero, che il tragitto che i neutrini percorrono sia esattamente 730.534,61 ± 0,20 metri. Come viene effettuata questa misura? In sostanza, con rilevamenti geodesici, che in effetti, perlomeno allo stato dell'arte, possono garantire questa precisione anche su distanze così lunghe.
 
Il problema è però che OPERA è sistemato dentro la caverna sotto il Gran Sasso, per cui non è possibile metterci un teodolite sopra [come al Cern, vedi su Focus.it] e triangolare direttamente verso nord. La più grande sorgente di incertezza sulla distanza CERN-LNGS è dovuta dunque all'estrapolazione della distanza del tratto finale sotterraneo, misura fatta nel tunnel del Gran Sasso con metodi tradizionali (come sui cantieri stradali) triangolando circa ogni 2 metri. Gli autori sostengono di potersi fidare di quest'ultima misura fino alla precisione citata, ma ovviamente [durante il seminario] sono state sollevate obiezioni. Per esempio, ci si è chiesti quali siano gli effetti delle maree su questa misura. In effetti, l'attrazione lunare modifica la lunghezza del percorso deformando la crosta terrestre. In media queste variazioni si annullano, visto che le misure dei neutrini sono eseguite su lunghi periodi. Il potenziale problema è che la misura della distanza viene invece effettuata su tempi decisamente più brevi, e potrebbe essere possibile che la si stia misurando in un momento di massimo o di minimo della deformazione associata alle maree. [Il portavoce dell'esperimento] ha sostenuto caparbiamente che le misure dell'ultimo tratto sotterraneo erano state ripetute più volte in momenti diversi, persino bloccando il traffico del tunnel [il riferimento è alle gallerie dei Laboratori], e che hanno dato risultati compatibili.
 
Certo, ha obiettato qualcuno, potrebbero essere compatibilmente sbagliate, se fatte sempre nello stesso modo. Ci vorrebbe dunque un modo indipendente per misurare la distanza CERN-LNGS, e qualcuno è persino arrivato a proporre la trivellazione di un pozzetto sopra OPERA, per mettere in corrispondenza al rivelatore un teodolite in superficie (peccato che, pare, allo stato attuale nessuno sia in grado di garantire la verticalità di un pozzo trivellato a meglio del 5%, che su una profondità di un chilometro farebbe 50 metri di incertezza).

Il percorso dei neutrini attraverso la crosta terrestre, dal CERN al Gran Sasso.

La misura del tempo di percorrenza dei neutrini tra il CERN e il Gran Sasso è persino più complicata. In sostanza, siccome non c'è un sistema intelligente per far parlare i due laboratori in diretta, il momento dell'emissione dei neutrini al CERN e del loro arrivo al Gran Sasso sono registrati indipendentemente, e il calcolo del tempo si può fare garantendo la sincronizzazione perfetta degli orologi di entrambi i laboratori. Il sistema più accurato per sincronizzare due orologi a 730 km di distanza consiste nell'usare due ricevitori GPS. Peccato che il normale sistema GPS garantisca una precisione di sincronizzazione non migliore di 100 nanosecondi [miliardesimi di secondo], troppo per il tipo di misura che si vuole fare. Il CERN e OPERA si sono dati un gran da fare per far scendere la precisione della sincronizzazione a una manciata di nanosecondi, interfacciando le antenne GPS di entrambi i laboratori con degli orologi atomici al Cesio e a un complesso sistema di misura tarato da ben due istituti di metrologia indipendenti. [I dettagli] sono veramente complessi, ma in generale penso che ci si possa fidare della precisione dichiarata.
 
GLI OROLOGI Avere i due orologi ottimamente sincronizzati non risolve il problema della misura del tempo di percorrenza, è solo il presupposto minimo per affrontarlo. La questione è che non tutti i neutrini emessi al CERN arrivano fino al Gran Sasso: per quanto ben collimato il fascio si apre a cono lungo la strada e copre all'arrivo un'area ben più larga del rivelatore di OPERA. Non è dunque possibile associare un evento registrato da OPERA a un preciso neutrino prodotto al CERN, e fare dunque una misura di tempo evento per evento. L'unica cosa che si può fare è una misura collettiva del tempo medio impiegato da tutti i neutrini che arrivano in OPERA. [Segue - Articolo integrale su Borborigmi]

30 Settembre 2011 | Marco Delmastro