martedì 19 gennaio 2021
Le elusive, infinitesimali particelle sono l’obiettivo di una serie di esperimenti in corso in tutto il mondo. Senza di essi il mondo come lo conosciamo non potrebbe esistere
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso

I Laboratori Nazionali del Gran Sasso - Infn / Simone Schiavon / LaPresse

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Le piccole particelle neutre, ipotizzate da Wolfgang Pauli nel 1930 per spiegare alcune proprietà di decadimenti nucleari altrimenti incomprensibili, poi battezzate neutrini da Enrico Fermi (o dal giovane allievo Edoardo Amaldi) compiono 90 anni. Delle più elusive particelle elementari sappiamo essere tre, avere una massa piccolissima (un milione di volte inferiore all’elettrone) e propagarsi nel vuoto, trasformandosi, in certe condizioni, da un tipo a un altro, per mezzo del raffinato processo quantistico dell’oscillazione.

I neutrini, soprattutto, continuano a essere, in buona parte, un mistero. Anche perché difficilmente rilevabili. Essendo le interazioni tra di loro con la materia ordinaria straordinariamente piccole, la probabilità di collisione fra un neutrino e un elettrone, o un nucleo atomico, è immensamente inferiore a quella, ad esempio, tra un elettrone o un fotone.

Come studiare, dunque, una particella così solipsista e poco propensa a interagire col mondo? E perché è tanto importante il loro studio? Per quanto riguarda il primo interrogativo, considerando l’abbondante disponibilità di sorgenti di tali oggettini, pur essendo molto bassa la probabilità che un rivelatore riesca a intercettarli, la loro intensità è tale che, prima o poi, finiscono catturati. Dal Sole, dal cosmo, dalla Terra, scorrono spontaneamente enormi flussi: per una stima degli ordini di grandezza, si pensi che il Sole ne libera 40 miliardi al secondo per cm2, una quantità immane da consentire esperimenti come il Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Canada nel 2001, che ha dimostrato l’esistenza delle oscillazioni nei neutrini dal Sole, cosa che ha garantito il premio Nobel al canadese Art McDonald (2015). Come non ricordare, poi, il celebre esperimento Borexino ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, in fase di compimento, dopo aver misurato quasi tutte le componenti di neutrini solari: un successo frutto di un trentennio di cooperazione internazionale a guida italiana e condotta nel laboratorio sotterraneo – italianissimo – più grande del mondo.

Per quanto riguarda il secondo aspetto, seppur particolarissimi, leggerissimi, e quasi invisibili, sono essenziali al fine di spiegare l’Universo e, addirittura, la nostra stessa esistenza. Infatti, hanno influito ai primissimi istanti del Big Bang, alla formazione di strutture (cluster di galassie, galassie, stelle...), allo sviluppo degli agglomerati stellari e al loro funzionamento, e alle esplosioni di supernovae, cui si deve la formazione di molti elementi chimici componenti le molecole organiche e gli esseri viventi. Perfino i processi geotermici sono alimentati, tramite abbondante produzione di neutrini, dalla radioattività delle profondità del pianeta.

Sono evanescenti, certo, ma noi, e il mondo come oggi lo conosciamo, non potremmo esistere senza. Questo giustifica l’interesse e l’attenzione catalizzati attorno ai grandi esperimenti in corso in tutto il mondo: Katrin, in Germania, è oggi il progetto più avanzato per la misura diretta della massa del neutrino, mentre Juno, in Cina, tenterà di stabilire quale fra i neutrini sia il più leggero (senza determinarne la massa). Katrin dovrebbe essere sensibile a masse pari a un quinto di milionesimo della massa dell’elettrone, sufficiente a fornire il valore della massa del neutrino. Nel caso non bastasse, alcune idee stanno trovando realizzazione anche presso nostri laboratori: a Milano, in particolare, ma anche a Genova e ai Laboratori del Gran Sasso.

Il secondo grande interrogativo attorno al quale stanno fiorendo gli esperimenti di punta riguarda la presunta diversità tra neutrini e antineutrini. Il dilemma risale agli anni ’30, quando una delle più feconde e creative menti italiane, Ettore Majorana, propose una teoria alternativa a quella avanzata pochi anni prima dal fisico teorico inglese Paul Dirac. Le particelle cariche seguono necessariamente la formulazione di Dirac, ma stabilire se i neutrini siano “particelle di Dirac” o “particelle di Majorana” è tuttora del tutto aperta e in attesa di risposta sperimentale.

Decine di esperimenti stanno ricercando l’unico processo fisico nucleare noto che discerne i due casi (il cosiddetto “doppio decadimento beta senza neutrini”) e l’Italia è in prima fila con due progetti di primissimo piano, condotti ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (Gerda e Cuore). Non si tratta di un quesito dalla valenza squisitamente teorica, né tantomeno ideologico: la risposta di questo processo guiderebbe lo sviluppo di nuove teorie.

L’ultimo dilemma, il più sorprendente e misterioso, coinvolge direttamente la nostra esistenza in un universo composto solo di materia. Secondo il Modello Standard, durante il Big Bang, si sarebbero formate – in pari numero – particelle e antiparticelle. Cosa che non si è verificata, come dimostrato dall’esistenza di stelle e galassie, non anti-stelle e anti-galassie. I neutrini ci aiuterebbero a comprenderne il motivo. Per farlo, però, occorre misurare un parametro ancora sconosciuto della teoria.

A oggi sono in corso misure di precisione con fasci di neutrini prodotti da acceleratori di particelle in Giappone e negli Stati Uniti, paesi in cui sono stati approvati anche due nuovi mega- progetti: Dune, che studierà neutrini emessi dal Fermilab in Illinois e li rivelerà a 1.300 km di distanza in una miniera del South Dakota, e Hyper-Kamiokande, che indagherà quelli prodotti dal laboratorio J-Park in Giappone e li rivelerà sotto una montagna, a circa 230 km di distanza, con un gigantesco rivelatore ad acqua. È utile ricordare che, in tutte queste grandi imprese, l’Italia è in campo. E in prima fila.

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