Neutrino

Neutrino
Composizione:	Particella elementare
Famiglia:	Fermione
Gruppo:	Leptone
Interazione:	debole e gravità
Teorizzata:	1930 da Wolfgang Pauli
Scoperta:	1956 da Clyde Cowan, Frederick Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse, e A. D. McGuire.
Simbolo:	νe, νμ e ντ
Num. tipi:	3 - elettronico, muonico e tauonico
Spin:	1/2

Il neutrino è una particella elementare. Ha spin 1/2 e quindi è un fermione.

Recenti esperimenti (vedi Super-Kamiokande) hanno mostrato che ha una massa, seppur molto piccola (da 100.000 a 1 milione di volte inferiore a quella dell'elettrone, col valore più probabile intorno a 0,05 eV/c²).

I neutrini non hanno carica elettrica né carica di colore, interagiscono solo attraverso la forza nucleare debole e la forza di gravità, ma non sentono l'interazione nucleare forte o la forza elettromagnetica.

Il nome neutrino fu coniato da Enrico Fermi come diminutivo del nome di un'altra particella neutra, il neutrone, molto più massiccia.

Il neutrino nel Modello Standard

Per approfondire, vedi la voce Modello standard.

Neutrini nel Modello Standard
delle particelle elementari

Fermione	Simbolo	Massa
Generazione 1 (elettrone)
Neutrino elettronico	$\nu_e\,$	< 2,2 eV
Antineutrino elettronico	$\bar{\nu}_e\,$	< 2,2 eV
Generazione 2 (muone)
Neutrino muonico	$\nu_\mu\,$	< 170 keV
Antineutrino muonico	$\bar{\nu}_\mu\,$	< 170 keV
Generazione 3 (tau)
Neutrino tauonico	$\nu_{\tau}\,$	< 15,5 MeV
Antineutrino tauonico	$\bar{\nu}_\tau\,$	< 15,5 MeV

Poiché il neutrino interagisce debolmente, quando si muove attraverso la materia le sue possibilità di interazione sono molto piccole. Occorrerebbe un ipotetico muro in piombo spesso un anno luce per bloccare la metà dei neutrini che lo attraversano. I rivelatori di neutrini di solito contengono centinaia di tonnellate di materiale, costruito in modo tale che pochi atomi al giorno interagiscano con i neutrini entranti. In una supernova collassante, la densità del nucleo diventa abbastanza alta (10¹⁴ g/cm³) da intercettare parte dei neutrini prodotti.

Esistono tre tipi differenti di neutrino: il neutrino elettronico ν_e, il neutrino muonico ν_μ e il neutrino tauonico ν_τ, in diretta relazione rispettivamente con i leptoni del modello standard (elettrone, muone e tauone).

La gran parte dell'energia di una supernova collassante viene irradiata in forma di neutrini, prodotti quando i protoni e gli elettroni del nucleo si combinano a formare neutroni. Questa reazione produce un flusso considerevole di neutrini. La prima prova sperimentale di questo fatto si ebbe nel 1987, quando vennero rilevati i neutrini provenienti dalla supernova 1987a.

La massa dei neutrini e le sue conseguenze

Nel Modello Standard (MS) i neutrini sono ipotizzati esistere privi di massa. Tuttavia, esperimenti recenti suggeriscono che ciò sia falso. Infatti, flussi di neutrini possono oscillare tra i tre autostati di interazione, in un fenomeno conosciuto come oscillazione dei neutrini (che fornisce una soluzione al problema dei neutrini solari e a quello dei neutrini atmosferici). Questo, inevitabilmente, induce a modificare il MS, introducendo dei termini nuovi per soddisfare la richiesta che i neutrini siano particelle dotate di massa.

Alcuni anni fa si pensava che i neutrini potessero essere ritenuti responsabili per la materia oscura, ma con l'attuale conoscenza della loro massa possono contribuire solo per una frazione insignificante.

Scoperta del neutrino

L'esistenza del neutrino venne postulata nel 1930 da Wolfgang Pauli per spiegare lo spettro continuo del decadimento beta. Fu studiato anche da Enrico Fermi nel 1934 ma scoperto solo 22 anni dopo, nel 1956, dai fisici Clyde Cowan e Fred Reines nel corso di un esperimento eseguito al reattore a fissione di Savannah River, che mostrò reazioni indotte proprio da neutrini liberi.

L'interesse di porre tutto l'apparato presso questo tipo di reattore è che esso è una fonte molto importante di antineutrini: durante la fissione nucleare si sviluppano molti neutroni, i quali decadono emettendo antineutrini.

$n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e$

L'apparato sperimentale era costituito da un bidone di 200 litri d'acqua mescolata a cloruro di cadmio, in modo da poter sfruttare la reazione inversa del decadimento del neutrone:

$\bar{\nu}_e + p \rightarrow n + e^+$

con creazione di un neutrone e di un positrone.

Data la scarsa sezione d'urto del processo è chiaro che serve una grande quantità di protoni (cioè di acqua) per avere un segnale utile.

Il positrone si annichila con un elettrone presente nell'apparato, dando luogo a due fotoni di energia pari alla massa della particella; il neutrone prodotto viene moderato dall'acqua e assorbito dal cadmio, il quale, dopo l'assorbimento, si trova in uno stato eccitato ed emette, quindi, un fotone.

Il segnale ricercato, quindi, è composto da due fotoni di energia uguale (0,511 MeV), seguiti da un fotone di energia molto maggiore a breve distanza di tempo.

L'alto flusso disponibile permetteva di avere due rivelazioni all'ora ed il fondo calcolato per questo esperimento era molto minore di questo valore.

L'esperimento si rivelò, quindi, concludente.

Rivelatori di neutrini

Esistono diversi tipi di rivelatori di neutrini. Ogni tipo consiste di grosse quantità di materiale (necessarie a causa dell'elevata penetratività dei neutrini) posto in cave sotterranee che hanno lo scopo di schermare la radiazione cosmica.

• I rivelatori al cloro consistono di serbatoi riempiti di tetracloruro di carbonio (CCl₄). In questi rivelatori un neutrino converte un atomo di cloro in uno di argon secondo la reazione

$\nu_e + ^{37}Cl \to ^{37}Ar + e^{-}$

Il fluido viene periodicamente purgato con dell'elio che rimuove l'argon. La quantità di atomi di argon prodotta viene misurata tramite l'attività radioattiva del gas estratto (l'isotopo 37 dell'argon decade in cloro con un'emivita di 35 giorni). Lo svantaggio di questi rivelatori consiste nel fatto che non è possibile determinare la direzione del neutrino incidente, né la sua energia: l'unica informazione è il flusso medio, per di più su periodi dell'ordine del mese. Fu il rivelatore al cloro di Homestake, South Dakota, contenente 520 tonnellate di CCl₄, che rilevò per primo il deficit di neutrini provenienti dal sole e portò al problema dei neutrini solari. Questo tipo di rivelatore è sensibile solo ai neutrini elettronici ν_e. L'energia di soglia della reazione utilizzata in questi rivelatori (la minima energia che il neutrino incidente deve possedere per essere rivelato) è pari a 814 keV.

• I rivelatori al gallio sono simili a quelli al cloro dal punto di vista del funzionamento, ma più sensibili ai neutrini a bassa energia. Si basano sulla reazione

$\nu_e + ^{71}Ga \to ^{71}Ge + e^{-}$

Anche in questo caso non si ottengono informazioni sulla direzione del neutrino. Tra questi rivelatori vale la pena di citare quelli utilizzati nell'esperimento GALLEX, poi diventato GNO, realizzato in Italia nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN, situati nel traforo del Gran Sasso d'Italia.

• I rivelatori ad acqua pura come il Super-Kamiokande contengono una grande massa d'acqua, circondata da rivelatori di luce detti "tubi fotomoltiplicatori". In questi rivelatori, il neutrino trasferisce parte della sua energia ad un elettrone, che in seguito all'urto si muove più velocemente di quanto faccia la luce in acqua (ma in ogni caso non più velocemente della luce nel vuoto). Questo genera una emissione ottica (in luce visibile), conosciuta come radiazione Čerenkov che può essere rivelata dai tubi fotomoltiplicatori. Questo rivelatore ha il vantaggio che il neutrino viene registrato in tempo reale ed è possibile raccogliere informazioni sulla sua traiettoria, andando a costruire una vera e propria mappa del cielo visto in neutrini. Fu questo tipo di rivelatore che registrò il flusso di neutrini provenienti dalla Supernova 1987a. Questo rivelatore è sensibile a tutti i tipi di neutrino, anche se con sezioni d'urto diverse (maggiori di un fattore 6 per i neutrini elettronici rispetto agli altri). Uno svantaggio di questa tipologia di rivelatori consiste nell'elevata soglia (circa 5 MeV) in energia, dovuta all'impossibilità di rivelare l'emissione da elettroni colpiti da neutrini d'energia troppo bassa.
• I rivelatori ad acqua pesante usano tre tipi di reazione per rivelare i neutrini. La prima è la stessa dei rivelatori ad acqua pura. La seconda implica la collisione del neutrino con un atomo di deuterio, con il conseguente rilascio di un elettrone. Nella terza il neutrino spezza in due l'atomo di deuterio. I risultati di queste reazioni vengono rivelati dai "tubi fotomoltiplicatori". Questo tipo di rivelatore opera al Sudbury Neutrino Observatory ed è in grado di rivelare tutti e tre i tipi di neutrino.
• L'esperimento OPERA invece si prefigge lo scopo di osservare direttamente il fenomeno di oscillazione (Neutrino Appereance) di neutrini di tipo muonico ν_μ in neutrini di tipo tauonico ν_τ. I neutrini muonici vengono prodotti dal progetto CNGS presso il CERN di Ginevra (Svizzera) ed inviati verso il sito dell'esperimento OPERA ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso. L'esperimento è composto da due supermoduli formati da un bersaglio e da uno spettrometro magnetico. Il bersaglio è composto da piani di scintillatori plastici, tra i quali sono inseriti dei mattoncini formati da pile di fogli di piombo (1 mm di spessore) e lastre di emulsione fotografica (grani del diametro di 1 micron). Quando un neutrino di tipo tau interagisce con un mattoncino del bersaglio, la particella tau prodotta viaggia per un breve tragitto nel bersaglio stesso (una frazione di millimetro, tipicamente) e successivamente decade in particelle più leggere, per esempio un muone ed una coppia di neutrini. L'analisi al microscopio delle tracce lasciate sulle emulsioni fotografiche dalle particelle cariche permette di ricostruire i vertici (primario e secondario) dell'evento. La massa di OPERA è di circa 1250 tonnellate. In cinque anni di presa dati, OPERA prevede di misurare un piccolo numero di tali eventi (circa 10-20, in funzione della differenza di massa tra i due tipi di neutrino) ma con una contaminazione dovuta al fondo estremamente bassa.
• A Los Alamos, Stati Uniti, il Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) ha raccolto in sei anni di attività dati che offrono ulteriori prove a favore della teoria dell'oscillazione dei neutrini. In particolare, i dati suggeriscono che gli antineutrini muonici possono oscillare diventando antineutrini elettronici.. Tale risultato è stato smentito dal successivo esperimento MiniBooNE.
• Presso il Fermilab dal 1997 è stato avviato l'esperimento BooNE (acronimo di Booster Neutrine Experiment). Il primo esperimento rivelatore di neutrini è stato effettuato nel settembre 2002, e il primo esperimento per rivelatore di anti-neutrini è stato effettuato nel gennaio 2006.

Oscillazione del sapore

Il detector dell'esperimento OPERA nel laboratorio del Gran Sasso.

Da diversi esperimenti effettuati da numerose collaborazioni internazionali (tra le quali si possono citare Super-Kamiokande, Sudbury Neutrino Observatory e KamLAND), è emersa l'evidenza del fenomeno noto come "oscillazione di sapore" dei neutrini, un fenomeno che fa mutare la particella da una "famiglia" ad un'altra, suggerendo che questa particella possegga una massa, così come già teorizzato dal fisico Bruno Pontecorvo nel 1969.

I neutrini esistono in tre "sapori" conosciuti, i muonici, gli elettronici e i tauonici, assieme ai loro antineutrini. Per il calcolo delle loro proporzioni si osserva una notevole differenza fra valori teorici e sperimentali; ad esempio sulla Terra si sono registrati solo 1/3 dei neutrini che si pensa possano essere emessi dalle reazioni nucleari del Sole. Come possibile soluzione al problema dei neutrini solari, era stato teorizzato che i neutrini mancanti fossero quelli muonici, che si erano trasformati in tauonici, molto più difficili da osservare.

Dall'anno 2007 è stato eseguito un esperimento a distanza per provare questa teoria; il CERN a Ginevra genera neutrini muonici e li spara in direzione del laboratorio INFN del Gran Sasso. Su miliardi di miliardi di neutrini lanciati dal CERN e arrivati ai laboratori dell'INFN dal 2007 è stato osservato dagli scienziati un solo neutrino che ha oscillato da muonico a tau, ma il risultato è sufficiente per suggerire fortemente che i neutrini abbiano una massa e che possano oscillare passando da un sapore a un altro.

Nel Modello Standard i neutrini sono pensati privi di massa, per cui l'esito di questo esperimento implica la necessità di modificare la teoria, fornendo nuove spiegazioni e iniziando nuove ricerche con tutte le possibili implicazioni in cosmologia, nell'astrofisica e nella fisica delle particelle.

Neutrini superluminali

Nel mese di settembre 2011 un comunicato del CERN annunciava un'anomalia nella misura del tempo di volo dei neutrini. Infatti, la collaborazione OPERA, che prende parte al progetto CNGS, ha pubblicato un preprint nel quale descrive in dettaglio la misura eseguita e il risultato ottenuto. Tale anomalia farebbe pensare a dei neutrini (di energia di circa 17 GeV) che viaggiano ad una velocità superiore a quella della luce. Il fenomeno non è in contrasto con la teoria della relatività speciale di Einstein, che resta tuttora valida perché non è lecito aprioristicamente estendere tale teoria all'eventuale interpretazione del fenomeno osservato. Tale osservazione, se fosse confermata da misure indipendenti, offrirebbe spunti per costruire nuovi modelli teorici. L'atteggiamento della collaborazione che ha eseguito la misura è di estrema cautela e prudenza dato la enorme portata della presunta scoperta. Infatti sono possibili errori sistematici non identificati che potrebbero rendere meno certo l'anomalia riscontrata nella misura del tempo di volo dei neutrini.

Le speculazioni teoriche che si accavallano in questi giorni sono molteplici, una di queste avanza l'idea che possa trattarsi di un fenomeno riconducibile nell'ambito della teoria delle stringhe, che prevede l'esistenza di dimensioni extra. Queste potrebbero essere usate come "scorciatoie" nello spazio-tempo.

Nel novembre 2011 sono stati effettuati ulteriori esperimenti, nei quali a percorrere i 730 chilometri che separano il Cern dal Gran Sasso sono stati "pacchetti" di neutrini lunghi solo 3 nanosecondi e spaziati gli uni dagli altri di 524 nanosecondi, molto più piccoli e meno distanziati rispetto a quelli utilizzati nelle misurazioni di Settembre (in quel caso i fasci avevano una durata di 10.500 nanosecondi ed erano lanciati ad intervalli di 50 milioni di nanosecondi). Queste misurazioni sembrerebbero accreditare i risultati ottenuti in precedenza, ma una conferma definitiva del fenomeno osservato potrà arrivare soltanto da test indipendenti, condotti da altri gruppi di ricerca.

Inoltre Andrew Cohen e il Nobel Sheldon Lee Glashow hanno dimostrato che un qualsiasi neutrino che superasse la velocità della luce irradierebbe energia, lasciando dietro di sé una scia di particelle più lente. Questo risultato mette in dubbio la correttezza delle misurazioni. Tuttavia va precisato che il calcolo si muove dall'assunto di poter estendere agli eventuali fenomeni di particelle superluminari le leggi della fisica oggi note.

Possibili errori nella misurazione

Nel febbraio 2012 viene reso noto che sono stati identificati due errori nella misurazione. Il primo legato alla cattiva calibrazione dell'orologio atomico di riferimento per calcolare il tempo di viaggio della particella; il secondo invece dovuto a un cattivo collegamento di una fibra ottica con il sistema GPS. Questi due errori, sarebbero in antitesi: l'errata calibrazione dell'orologio tenderebbe a far sembrare i neutrini più lenti, la cattiva connessione invece li "accelererebbe". La combinazione di questi errori potrebbe aver causato un anticipo di 60 nanosecondi nella ricezione del segnale. Nel corso dell'anno si eseguiranno altre prove per cercare la conferma del fatto o smentirlo definitivamente.

Bibliografia

• (EN) Chung Wook Kim. Neutrinos in Physics and Astrophysics. Routledge, 1993. ISBN 978-3-7186-0566-8
• Miramonti Lino, Reseghetti Franco, : Neutrino. La particella fantasma, : Franco Muzzio Editore, 2004, ISBN 88-7413-107-0

Altri progetti

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• Wikimedia Commons contiene file multimediali su Neutrino

Collegamenti esterni

• (EN) Neutrino Unbound raccoglie informazioni sulla Fisica ed Astrofisica dei neutrini
• (EN) IceCube
• (EN) AMANDA
• (EN) OPERA - Oscillazione dei neutrini -

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