Neutrino

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Introduzione

Neutrino Particella elementare elettricamente neutra della famiglia dei leptoni, dotata di massa molto piccola. La sua esistenza venne ipotizzata nel 1931 dal fisico austriaco Wolfgang Pauli per spiegare l'apparente violazione dei principi di conservazione dell'energia, della quantità di moto e dello spin, osservata nei processi di decadimento beta. Il suo nome si deve a Enrico Fermi, che propose di battezzarla “neutrino” per sottolineare contemporaneamente la sua neutralità elettrica, uguale a quella del già noto neutrone, e l’esiguità della massa.

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Caratteristiche e origini del neutrino

Il neutrino è un fermione, ovvero ha spin pari a 1/2: è particolarmente difficile da rivelare e identificare, a causa della piccolissima massa e della mancanza di carica elettrica. Le ricerche hanno confermato le sue peculiari proprietà mediante misurazioni del rinculo indotto dalla sua produzione su altre particelle; la prova conclusiva della sua esistenza fu ottenuta nel 1956 dai fisici statunitensi Frederick Reines e Clyde Lorrain Cowan.

I neutrini rilevabili sulla Terra sono prodotti nelle reazioni nucleari che si verificano nel Sole (neutrini solari) o a seguito del decadimento delle particelle che costituiscono i raggi cosmici (neutrini atmosferici). Migliaia di miliardi di queste particelle attraversano ogni secondo l'atmosfera terrestre ma, date le loro caratteristiche, solo pochissimi interagiscono con altre particelle.

Si conoscono tre tipi di neutrino: prodotti nei decadimenti di particelle in cui si ha emissione di leptoni, vengono distinti mediante il nome della particella insieme alla quale vengono prodotti. Oltre al neutrino dell’elettrone (elettronico) e al relativo antineutrino, emessi nei due processi di decadimeto beta, esistono il neutrino del muone (muonico) e quello del tau (tauonico), prodotti nella disintegrazione del pione e del tau, e le rispettive antiparticelle.

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Il fenomeno dell’oscillazione

Negli ultimi anni lo studio delle emissioni solari ha fornito indizi sulla possibilità che i neutrini elettronici prodotti nel Sole, durante i loro percorsi nello spazio atmosferico, possano trasformarsi in neutrini muonici o tauonici, dando luogo a un fenomeno classificato come 'oscillazione del neutrino'. Dopo molti anni di ricerche, tali oscillazioni sono state osservate nell’ambito dell’esperimento SuperKamiokande, che opera nelle profondità di una miniera dismessa del monte Ikena, in Giappone: dapprima nel 1998 e poi, nuovamente, nel 2004.

L’esperimento dispone di un’enorme cisterna riempita con 50.000 tonnellate di acqua purificata, che misura i neutrini contenuti nell’atmosfera: un recente risultato, mostrando l’evidenza di un deficit dei neutrini del muone e un eccesso (rispetto ai valori aspettati senza oscillazioni) di neutrini di altro tipo, conferma che i neutrini oscillano e dunque che debbono essere dotati di massa (caratteristica senza la quale non è possibile avere oscillazioni di un’entità fisica). Analoghe conferme sono giunte nel 2001 anche dal Los Alamos National Laboratory del New Mexico, negli Stati Uniti, dove l’esperimento Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) ha fornito, dopo sei anni di osservazioni, un’ulteriore prova a conferma dell’ipotesi dell’oscillazione; in particolare, dai dati raccolti risulterebbe che il neutrino muonico si possa trasformare in neutrino elettronico.

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Massa del neutrino e massa dell’universo

La massa del neutrino non è stata finora calcolata con esattezza. Le più recenti scoperte gli assegnano comunque un limite inferiore e uno superiore: il primo dovrebbe essere maggiore di alcuni centesimi o decimi di elettronvolt, un valore piccolissimo, pari a circa un decimilionesimo del valore di massa dell’elettrone. Quanto al limite superiore, la stima migliore di cui si disponga proviene da un recente studio condotto sulla densità di massa presente nell’universo. Secondo questa ricerca, i neutrini non potrebbero costituire più del 13% della massa dell’universo, il che equivale a dire che la somma delle singole masse dei tre tipi di neutrino – elettronico, muonico e tauonico – non potrebbe superare il limite di 2,2 elettronvolt.

La correlazione tra le due stime – massa del neutrino e massa dell’universo – dipende dal fatto che i neutrini sono ritenuti i responsabili più verosimili della cosiddetta “massa mancante” dell’universo, ovvero la quantità di materia non osservabile con i comuni strumenti di rivelazione, ma che si assume debba esistere per spiegare l’equilibrio del cosmo fra espansione e contrazione.

Tutte queste scoperte richiederanno consistenti revisioni delle teorie standard di fisica, originariamente formulate sotto l’ipotesi che i neutrini siano privi di massa.

Per comprendere meglio il fenomeno delle oscillazioni del neutrino, il CERN, Laboratorio europeo per la fisica delle particelle, e l’INFN, Istituto nazionale per la fisica nucleare, preparano un ambizioso progetto: sparare un fascio di neutrini da un acceleratore del CERN dentro un rivelatore per neutrini collocato nei laboratori sotterranei del Gran Sasso dell’INFN. Grazie alla lunga distanza percorsa da tali neutrini, alla precisa conoscenza del fascio originale e a un rivelatore estremamente sensibile, questo esperimento permetterà di valutare con esattezza le oscillazioni dei diversi tipi di neutrino, e dunque definirne con precisione la massa.