Oscillazione del neutrino

L'oscillazione del neutrino è un fenomeno quantomeccanico per cui un neutrino, creato con un certo sapore, può assumere un sapore diverso al passare del tempo. La probabilità di misurare uno specifico sapore (che può essere elettrone, muone o tauone) varia periodicamente durante la propagazione del neutrino. Il fenomeno è stato predetto da Bruno Pontecorvo nel 1957 e osservato sperimentalmente, per la prima volta in ambito astrofisico nel 1998 (grazie all'osservatorio Super-Kamiokande), e in seguito tramite esperimenti di laboratorio (come OPERA, che sfrutta neutrini prodotti al CERN e inviati ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso).

Il fenomeno di oscillazione implica che la massa dei neutrini sia non nulla, fatto non previsto dal Modello standard della fisica delle particelle. Il meccanismo di generazione della massa dei neutrini è tuttora un problema aperto e dibattuto.

Prove dell'oscillazione del neutrino

Il modello solare standard predice che, durante le reazioni di fusione che avvengono nel nucleo solare, vengano prodotti neutrini elettronici. Tuttavia il flusso di neutrini osservati a Terra è circa un terzo rispetto a quanto previsto. Questa discrepanza, chiamata anche "problema dei neutrini solari" è risolvibile ipotizzando il meccanismo di oscillazione dei neutrini. Ulteriori prove sono venute da esperimenti che misurano il flusso di neutrini nella parte superiore dell'atmosfera (dove sono prodotti dai raggi cosmici), dai reattori nucleari e dagli acceleratori di particelle.

Le masse del neutrino

Si ipotizza che le oscillazioni siano dovute alle differenti masse che corrispondono ai tre sapori dei neutrini. Se un neutrino è prodotto come un autostato del sapore e se l'autostato del sapore non è un autostato della massa, allora si può scrivere la funzione d'onda come una sovrapposizione di autostati della massa:

$\left|\nu \right\rangle =\sum _{i}\left|\nu _{i}\right\rangle$

dove $\left|\nu _{i}\right\rangle$ sono gli autostati della massa (cioè obbediscono all'equazione relativistica del momento dell'energia di Einstein) e così si possono scrivere come soluzioni di un'onda piana, $exp(-i(Et-{\vec {p}}\cdot {\vec {x}})/\hbar )$.

Se il neutrino viene prodotto con un momento tridimensionale definito, l'energia di ciascun autostato della massa nella sovrapposizione è dato da:

$E^{2}-|{\vec {p}}\,|^{2}c^{2}=m^{2}c^{4}$

Se gli autostati della massa hanno differenti masse, allora avranno differenti energie e quindi differenti frequenze (dal momento che la frequenza è il coefficiente del tempo in una funzione d'onda piana). Se hanno differenti frequenze interferiranno in maniera tale da produrre differenti rapporti di autofunzioni della massa nelle sovrapposizioni, che corrisponderanno alla funzione d'onda che diviene una sovrapposizione degli autostati del sapore, i quali a loro volta produrranno i comportamenti descritti sopra.

Le origini della massa del neutrino

La questione di come queste masse si formino non ha ancora trovato una risposta conclusiva. Nel Modello Standard della fisica delle particelle i fermioni (particelle di "materia") hanno massa soltanto perché interagiscono con il campo di Higgs (vedi bosone di Higgs). Queste interazioni coinvolgono le versioni destrogire e levogire del fermione (vedi chiralità). I neutrini sono particolari perché come particelle elettricamente neutre possono avere un'altra fonte di massa, la massa di Majorana (che non può agire su particelle elettricamente cariche da quando si deve permettere alle particelle di trasformarsi in un'anti-particella che deve violare la conservazione della carica elettrica). I neutrini sono particolari anche perché sono stati osservati soltanto neutrini levogiri.

La più piccola modifica al Modello Standard, che ha solo neutrini levogiri, è di accettare questi neutrini levogiri con masse di Majorana. Il problema è che le masse dei neutrini sono in maniera inspiegabile più piccole delle restanti particelle conosciute (almeno 500.000 volte più piccole della massa dell'elettrone), cosa che, sebbene non infici la teoria, non è soddisfacente. La successiva modifica più semplice consiste nel aggiungere neutrini destrogiri nel Modello Standard che interagiscano con i neutrini sinistrogiri ed il campo di Higgs in maniera analoga al resto dei fermioni. Questi nuovi neutrini dovrebbero interagire con gli altri fermioni solamente in questo modo, così che non si possa escluderli fenomenologicamente. Tuttavia il problema della disparità delle masse rimane. La soluzione che attualmente gode di maggior credito è il modello "see-sw", dove vengono inseriti neutrini destrogiri con masse di Majorana estremamente grandi. Se i neutrini destrogiri sono molto pesanti producono neutrini sinistrogiri con massa molto piccola, che è inversamente proporzionale alla massa pesante. Se si ipotizza che i neutrini interagiscano con il campo di Higgs con circa la stessa forza degli elettroni (che è come dire che i neutrini ed i leptoni elettronico, muonico e tauonico sono associati tra di loro come lo sono i quark up e down), la massa pesante dovrebbe avvicinarsi molto alla scala delle Grandi Teorie Unificate (GUT).

Vi sono altre ipotesi circa l'origine della massa del neutrino come la supersimmetria che viola la parità R la quale stabilisce che le masse dei neutrini derivino dalle interazioni con squark e sleptoni, piuttosto che con il campo di Higgs. Comunque queste interazioni sono solitamente escluse dalle teorie poiché derivano da una classe di interazioni che portano ad un inaccettabile rapido decadimento del protone (che ha una vita media di 1,6*10³³), se sono tutti inclusi. Queste teorie non sono state ancora completate.

Voci correlate

• Bosone
• Equazione di Dirac
• Fermione
• Legge di conservazione
• Legge di conservazione del numero fermionico
• Lista delle particelle
• Numero B-L
• Neutrino

Bibliografia

• M. Maltoni, T. Schwetz, M. A. Tortola, J. W. F. Valle, "Status of global fits to neutrino oscillations" New Journal of Physics 6 (2004) 122.
• M.C. Gonzalez-Garcia, Y. Nir, "A review of evidence of neutrino masses and the implications", Reviews of Modern Physics 75 (2003) p.345-402.

Collegamenti esterni

• (EN) Maury Goodman, "The Neutrino Oscillation Industry" (2006). (Provides links to many other neutrino oscillation websites.)
• (EN) Review Articles on arxiv.org