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I neutrini


Introduzione

Sono sempre stata particolarmente interessata a tutti quei fenomeni a cui la scienza non è ancora riuscita a dare una spiegazione, ma che penso essa riuscirà a spiegare, col progredire della ricerca.

Durante i secoli, numerosi sono stati i fenomeni scientifici, chimici, fisici, matematici, astronomici ed in campo medico rimasti inspiegati per lungo tempo e successivamente chiariti su basi assolutamente razionali, grazie alle intuizioni ed alla ricerca rigorosa di alcuni scienziati.

Il problema che riguarda i neutrini rientra fra questi: essi furono scoperti per caso, al fine di spiegare alcuni fenomeni che potevano essere provati solo con l' introduzione di tali particelle.

Appena lo scorso anno si è riusciti a dimostrare definitivamente che essi possiedono una massa, ma ancora non si conoscono l' entità di tale massa, quale percentuale costituiscano della materia oscura e che ruolo possano avere nel futuro dell' Universo.

Tratterò quindi di tali particelle, che, così elusive, lasciano ancora aperti diversi interrogativi.

Descriverò cosa siano a livello fisico, ne illustrerò la storia, i metodi di rivelazione, i principali centri di ricerca, il ruolo che possono svolgere per quanto riguarda la materia oscura e l'Universo.

Che cosa sono i neutrini?

Tra le particelle fondamentali che compongono l' Universo, i neutrini sono stati negli ultimi anni al centro di numerosi studi e di interessanti scoperte. Il motivo di tanto interesse è dovuto al fatto che la questione della massa del neutrino ha importanti implicazioni in fisica, astrofisica e cosmologia.

I neutrini sono particelle puntiformi, elementari, che appartengono alla famiglia dei Fermioni e al gruppo dei Leptoni, sono privi di carica elettrica, con massa estremamente piccola (che non si e' ancora riusciti a misurare) e con spin 1/2.

Poiché i neutrini non hanno carica elettrica, né carica di colore, essi interagiscono solo attraverso la forza nucleare debole e non sentono l' interazione nucleare forte e la forza elettromagnetica. Poiché possiedono una massa, sono sensibili anche alla gravità, ma essendo la gravità la forza più debole ed avendo il neutrino una massa piccolissima, questa interazione è trascurabile rispetto all' interazione debole.

Si conoscono tre tipi di "sapori" o "famiglie" di neutrini, detti neutrino elettronico, associato all' elettrone, neutrino muonico, associato al muone e neutrino tau, associato al tauone, indicati rispettivamente coi simboli ne, nm, nt . I tre tipi di neutrini differiscono per le reazioni da cui hanno origine e per le reazioni che essi stessi originano quando interagiscono con la materia. Si suppone, inoltre, che i diversi tipi di neutrino abbiano diverse masse, ma non si è ancora riusciti a misurarle.

Inoltre, ad ogni neutrino, cioè ad ogni particella, corrisponde la propria antiparticella.

Ci sono anche forti evidenze di un fenomeno interessantissimo, chiamato "oscillazioni di sapore", per cui, in certe condizioni, un neutrino inizialmente con un certo sapore può cambiare (o oscillare) il suo sapore, dopo aver percorso un certo cammino.

In ogni secondo, ogni oggetto sulla Terra è attraversato da molti miliardi di neutrini; tuttavia quasi nessuno di questi neutrini viene catturato: a titolo esemplificativo, in media soltanto un neutrino all' anno interagisce con il corpo di una persona.

Il neutrino attraversa quindi la materia con estrema facilità, anche il nostro corpo è continuamente perforato da miliardi di questi minuscoli proiettili, che tuttavia non gli arrecano alcun danno. Diversamente da quanto facciamo per radiazioni di altra natura che ci piovono addosso, non abbiamo quindi alcun bisogno di proteggerci dai neutrini, ma in verità non sapremmo nemmeno come farlo, visto che per essi la materia è quasi del tutto trasparente.

Come abbiamo detto, i neutrini hanno pochissima propensione ad interagire con la materia, perché sono molto piccoli, ma anche perché viaggiano a velocità elevatissime e pertanto nel loro cammino rimangono vicino ai nuclei atomici coi quali potrebbero eventualmente interagire per un tempo troppo breve per consentire una reazione. Per avere un qualche effetto, i neutrini, nel loro movimento, dovrebbero centrare in pieno il nucleo di un atomo, ma si tratta di un evento talmente raro, che si è calcolato che queste particelle sarebbero in grado di attraversare un muro dello spessore di alcuni anni luce senza trovare praticamente alcun ostacolo.

Come nascono i neutrini?

Neutrini terrestri

All' interno della Terra sono presenti minerali contenenti elementi radioattivi tra cui l' Uranio e il Torio; i nuclei di questi elementi decadono emettendo antineutrini elettronici ed energia sotto forma di calore. L' energia prodotta corrisponde a circa 20.000 centrali elettriche da 1 GigaWatt e contribuisce a mantenere incandescente sia il nucleo che il mantello terrestre. Successivamente, i neutrini prodotti sfuggono dalla Terra verso lo spazio.

La radioattività può essere interpretata come un effetto dell' instabilità di un nucleo atomico, che in questo modo cerca di rientrare nei margini della stabilità nucleare.

Si possono presentare cinque principali tipi di decadimento radioattivo:

  • Decadimento per emissione alfa: riguarda gli elementi troppo pesanti, i cui nuclei emettono particelle alfa. Ciò porta alla formazione di un nucleo in cui sono presenti due protoni e due neutroni in meno rispetto al nucleo iniziale.
  • Decadimento per emissione elettronica: si ha la conversione di un neutrone in un protone con l' emissione di un antineutrino elettronico.
  • Decadimento per emissione positonica: corrisponde alla conversione di un protone in un neutrone con l' emissione di un neutrino elettronico.
  • Decadimento per cattura elettronica: avviene in seguito alla cattura, da parte di un nucleo instabile, di un elettrone di un livello interno dell' atomo e di conseguenza, un protone si converte in un neutrone. Si verifica anche l' emissione di un quanto di raggi X, in seguito allo spostamento di un elettrone da un livello esterno al posto lasciato vuoto nel livello più interno.
  • Decadimento doppio beta: consiste nel decadimento del nucleo con emissione di due neutrini o senza.

    La rilevazione dei neutrini terrestri è estremamente importante per comprendere quanto e come la radioattività naturale sia determinante per gli equilibri del nostro pianeta.

    Neutrini atmosferici

    L' atmosfera terrestre è bombardata dai raggi cosmici, particelle cariche soprattutto di protoni, nuclei atomici, tra cui quello dell' Elio, fotoni ad altissima energia e neutrini che si muovono nello spazio.

    Esistono due tipi di raggi cosmici:

    • "raggi cosmici primari": giungono in vicinanza del nostro pianeta direttamente da sorgenti galattiche o extra-galattiche;
    • "raggi cosmici secondari": sono generati dalle collisioni dei primari con i nuclei dei gas atmosferici.

    Quando i raggi cosmici penetrano nell' atmosfera, collidono con gli atomi e innescano delle reazioni, durante le quali vengono prodotte molte particelle secondarie, tra cui neutrini e antineutrini, prevalentemente elettronici e muonici; essi si propagano poi indisturbati fino alla superficie terrestre. I neutrini atmosferici sono studiati da molti anni e hanno permesso di evidenziare il fenomeno delle oscillazioni di sapore.

    Neutrini solari

    Una grande quantità di neutrini elettronici viene prodotta all' interno delle Stelle e in particolare del Sole. I neutrini vengono emessi nel nucleo del Sole durante le reazioni di fusione termonucleare, responsabili della produzione dell' energia, successivamente fuoriescono, giungendo fino alla Terra.

    Il Sole quindi, oltre ad essere una potente sorgente di luce e calore, è anche una potente sorgente di neutrini.

    Lo studio dell' energia e del numero dei neutrini solari è fondamentale per la comprensione dei processi fisici che fanno funzionare il Sole. Vari esperimenti sono stati in grado di misurare i neutrini solari prodotti in molte reazioni termonucleari del Sole. Anche gli esperimenti sui neutrini solari hanno evidenziato la presenza del fenomeno delle oscillazioni di sapore dei neutrini, che subiscono una sorta di amplificazione all' interno della materia solare.

    Neutrini da esplosioni di Supernovae

    I neutrini prodotti da tutte le Stelle, tranne il Sole, giungono sulla Terra con una intensità molto debole a causa dell' enorme distanza che le separa. Dunque, risulta quasi impossibile distinguerli dai neutrini solari.

    Un' eccezione è costituita dall' esplosione delle Supernovae, Stelle massive che, dopo aver esaurito il loro combustibile nucleare, collassano ed esplodono. Esse emettono una enorme quantità di energia sotto forma di luce, di materia, ed anche di antineutrini.

    Se la Supernova esplode nella nostra galassia, la quantità di neutrini emessa è talmente alta da raggiungere la Terra con una intensità rilevante. Questi neutrini vengono emessi in un unico fiotto che dura una decina di secondi e contengono informazioni importantissime sul meccanismo con cui avviene l' esplosione.

    L' ultima Supernova galattica è esplosa nel 1987 nella Nube di Magellano e in quell' occasione si sono catturati per la prima volta una decina di neutrini.

    La Grande Nube di Magellano è una piccola galassia osservabile dall' emisfero australe, mentre non è visibile dall' Europa. In questa galassia lontana da noi 150.000 anni luce era esplosa una Supernova, dai tempi di Galilei un evento del genere non si verificava a così breve distanza dalla Terra. Una Supernova produce un' enorme quantità di neutrini, miliardi di volte superiore a quella prodotta normalmente da una stella e questa fu la ragione della registrazione anomala del Monte Bianco. I neutrini inoltre raggiunsero la Terra dalla parte opposta a quella in cui erano sistemati i rivelatori, ma non ebbero difficoltà ad attraversarla.

    Gli esperimenti attualmente in funzione consentono di rivelare un numero di neutrini da Supernova molto più grande, ma comunque le esplosioni di Supernovae galattiche avvengono una ogni venti anni circa, e dal 1987 non vi sono più state Supernovae galattiche.

    Neutrini fossili

    Si pensa che pochi istanti dopo la nascita dell' Universo sia stato prodotto un enorme numero di neutrini e antineutrini di ogni sapore, i quali sono sopravvissuti fino ad oggi, diminuendo via via la loro energia, a causa dell' espansione dell' Universo.

    Essi si propagano in ogni direzione all' interno dell' Universo con una densità di circa 300 per centimetro cubo.

    Attualmente, l' energia di questi neutrini fossili è estremamente bassa, meno di un miliardesimo di quella dei neutrini solari. Per questo motivo attualmente sembra praticamente impossibile catturarne di questo tipo.

    Neutrini da acceleratori di particelle

    Gli acceleratori sono una fonte artificiale di neutrini, in grado di produrre e accelerare particelle cariche, soprattutto protoni, elettroni o nuclei atomici. Facendo collidere i protoni accelerati da un acceleratore con uno strato compatto di materiale, si riescono a produrre neutrini e/o antineutrini di diversi sapori.

    Neutrini da reattori nucleari

    Anche questa è una fonte artificiale. Durante le reazioni di fissione nucleare che avvengono all' interno di un reattore nucleare vengono prodotti, oltre a neutroni e altri prodotti di fissione, anche antineutrini elettronici. Ogni reattore nucleare è quindi una sorgente di antineutrini elettronici.

    Qual è la storia dei neutrini?

    Al termine degli anni '20 del secolo scorso, si notò che durante una determinata trasformazione radioattiva, con emissione di elettroni, una parte dell' energia scompariva.

    Il "principio di conservazione dell' energia" afferma che, in ogni trasformazione della materia, la somma dell' energia e della massa complessiva non cambia.

    Tale legge vale anche per i processi che interessano le particelle elementari. Quando, ad esempio, un elettrone e un positone si annichilano reciprocamente, cioè scompaiono per essere venuti a contatto diretto, l' energia che appare al loro posto, sotto forma di raggi gamma, è esattamente uguale all' energia che era presente, sotto forma di massa delle due particelle reagenti, sommata all' energia cinetica posseduta dalle stesse durante la fase di avvicinamento. La stessa cosa avviene quando un nucleo atomico subisce la disintegrazione radioattiva, anziché con emissione di un elettrone, con espulsione di una particella a (il nucleo dell'atomo di elio): la massa del nucleo residuo, più la massa della particella alfa, più ancora la massa corrispondente all'energia cinetica delle particelle che si allontanano dal luogo in cui è avvenuta la reazione è uguale a quella posseduta dal nucleo originario. A volte l' energia delle particelle che volano via dal luogo della reazione è inferiore a quella prevista; in tal caso si assiste all' emissione di uno o due fotoni che pareggiano il conto energetico.

    La situazione apparve diversa quando si andò ad analizzare il decadimento radioattivo beta, cioè il caso in cui il nucleo atomico emette un elettrone e si trasforma nel nucleo di una nuova specie atomica.

    Per esempio, quando il Carbonio radioattivo, C14, emette un elettrone e diventa azoto 14 non radioattivo, N14, il bilancio energetico non quadra.

    Si scoprì che la velocità con cui si allontanava l' elettrone espulso dal nucleo dell' elemento radioattivo era troppo bassa e pertanto l' energia cinetica posseduta da quella particella in movimento non era sufficiente a controbilanciare la perdita di massa conseguente alla reazione. Sembrava, dunque, che durante il decadimento beta l' energia non venisse conservata.

    Per risolvere il problema in modo sbrigativo, alcuni proposero di abbandonare la legge della conservazione dell' energia per quanto riguardava questo caso.

    La maggior parte dei fisici, però, non accettò tale soluzione.

    La soluzione del neutrino

    Fu nel 1930 che il fisico austriaco Wolfgang Pauli, per risolvere tale problema, ipotizzò l' esistenza di una particella che avrebbe dovuto comparire nel momento stesso in cui dal nucleo radioattivo usciva l' elettrone: questa nuova particella avrebbe contenuto l' energia mancante al pareggio del bilancio.

    Sia per soddisfare le esigenze per le quali era stata proposta, sia per spiegare il fatto che fino ad allora nessuno era riuscito ad individuarla, la nuova particella avrebbe dovuto possedere proprietà alquanto improbabili come la mancanza di una massa, o quasi, la non interazione con la materia ordinaria, o quasi, e la presenza di una carica neutra.

    Nonostante fosse praticamente improbabile provare l' esistenza di una tale particella, l' idea piacque.

    Nel 1934 Enrico Fermi affrontò il problema riguardante tale particella: la chiamò neutrino, cioè "piccolo neutrone". Egli ipotizzò la presenza di una forza capace di trasformare all' interno del nucleo atomico protoni in neutroni e viceversa.

    Quando un neutrone si fosse trasformato in protone, vi sarebbe stata l' emissione di un elettrone e di un neutrino (che successivamente si scoprì essere un antineutrino), mentre nella trasformazione di un protone in un neutrone si sarebbe verificata l' emissione di un positone e di un neutrino. Neutrino ed antineutrino avrebbero avuto la funzione di garantire il rispetto dei principi di conservazione fondamentali della fisica.

    In seguito, vennero scoperte anche altre violazioni alle leggi di conservazione che avrebbero potuto essere sanate con l' introduzione del neutrino. Queste erano la legge della conservazione della quantità di moto, quella della conservazione del momento angolare e infine la legge della conservazione del cosiddetto numero leptonico.

    Ogni particella elementare tende a decadere in una più leggera; una particella invece è stabile quando non esiste una particella più leggera nella quale possa trasformarsi. Così, ad esempio, il neutrone, lasciato a se stesso, dopo una quindicina di minuti spontaneamente si disintegra espellendo un elettrone. Ciò che rimane è un protone che si muove nella direzione opposta a quella dell' elettrone espulso. In teoria, la quantità di moto dell' elettrone, che è data dalla moltiplicazione della massa per la velocità, avrebbe dovuto essere uguale alla quantità di moto di rinculo del protone, anche questa data dalla moltiplicazione della sua massa per la sua velocità.

    Di fatto non accadeva così: la quantità di moto dell' elettrone era più piccola di quella prevista e il protone, inoltre, non si muoveva nella direzione esattamente opposta a quella dell' elettrone. Ammettendo la presenza di un neutrino, il fenomeno sarebbe stato coerentemente spiegato.

    Un altro problema da risolvere era quello relativo alla mancata conservazione del momento angolare. Il momento angolare intrinseco, detto anche spin, è una grandezza tipica delle particelle subatomiche e può essere rappresentato come effetto del moto di rotazione della particella su se stessa.

    Una particella può girare su se stessa in senso orario o in senso antiorario; se gira in un senso si dice, ad esempio, che ha spin positivo, se nell' altro, negativo.

    Il neutrone può avere spin +½ o -½, ma quando si disintegra, il protone e l ' elettrone che ne derivano possono avere anch' essi spin +½ o -½. Lo spin totale di protone ed elettrone presi insieme, a seconda dei segni da essi posseduti, potrà essere dunque +1, -1 o 0, ma mai +½ o -½ come all' inizio. Ciò significava che, se non si fosse ammessa la presenza di una particella o di energia, veniva infranta la legge della conservazione del momento angolare. Ammettendo la presenza del neutrino, i conti invece sarebbero tornati

    Vi era, infine, la mancata osservanza della legge di conservazione del numero leptonico. E' questa una carica specifica che viene assegnata alle particelle leggere, ossia ad elettroni, muoni, tauoni e neutrini.

    Il valore del numero leptonico è +1 per la particella e -1 per la corrispondente antiparticella. Quando ad esempio il neutrone decadeva in protone ed elettrone, se non ci fosse stato un antineutrino a bilanciare il valore +1 dell' elettrone, il numero leptonico, che prima della trasformazione era zero, non si sarebbe conservato. Il valore di -1, assegnato alla nuova particella per fare tornare i conti, spiegava anche la ragione per la quale il neutrino elettronico, emesso in seguito al decadimento del neutrone, era in realtà un antineutrino.

    La scoperta dell' antineutrino

    Per localizzare tale particella era indispensabile che essa interagisse con qualcos' altro ; inoltre occorreva anche che l' interazione, una volta avvenuta, fosse riferibile al neutrino e non a particelle o eventi di altro tipo.

    Nel 1953 Fred Reines e il suo collaboratore Clyde Cowan montarono un rivelatore di grandi dimensioni, progettato appositamente per lo scopo, nei pressi di un reattore nucleare a fissione, in funzione a Savannah River nel South Carolina, che rappresentava una ricca sorgente di neutrini.

    I singoli neutrini attraversano la materia quasi senza incontrare ostacoli, ma se le particelle fossero tante e l' osservazione venisse protratta per un periodo di tempo molto lungo, potrebbe darsi che almeno una di esse venga catturata e identificata, consentendo la verifica della sua effettiva esistenza.

    In un reattore nucleare a fissione avviene la scissione di nuclei di Uranio che si dividono in due frammenti più piccoli, mettendo in libertà alcuni neutroni. Questi neutroni liberi, come già precedentemente spiegato, decadono spontaneamente in protoni e nello stesso tempo emettono un numero cospicuo di antineutrini. Se gli antineutrini che transitano nel rivelatore colpissero i protoni presenti in esso, questi espellerebbero positoni e si trasformerebbero in neutroni. Il positone appena formato inevitabilmente incontrerebbe nelle vicinanze un elettrone, producendo il reciproco annichilamento con formazione di raggi gamma di energia equivalente a quella della massa delle due particelle scomparse. Il rivelamento di questa radiazione rappresenterebbe un primo segnale dell' avvenuta reazione. Un secondo segnale verrebbe dalla cattura del neutrone appena formato da parte del nucleo di un atomo particolare, il quale, nel momento stesso in cui assorbe il neutrone, emette alcuni fotoni di precisa energia. Questi due segnali successivi sono tipici di tali specifiche reazioni e di nessun' altra.

    Il rivelatore costruito dai due ricercatori americani conteneva grandi quantità d' acqua, le cui molecole sono ricche di protoni e nella quale era sciolto del Cloruro di cadmio, che aveva il compito di catturare i neutroni. All' esterno, ovviamente, vi erano apparecchi capaci di rivelare la presenza dei fotoni gamma e di determinare le loro energie e la direzione del loro movimento. Così, nel 1956, venne annunciato l' avvistamento del primo antineutrino.

    In seguito risultò che la corrispondenza fra osservazione e teoria era stata in realtà un colpo di fortuna, in quanto le predizioni teoriche su cui si erano basati gli sperimentatori erano seppur leggermente sbagliate. Tuttavia altri scienziati successivamente si cimentarono nello stesso esperimento, modificando in parte le apparecchiature e confermando l' osservazione delle particelle fantasma.

    La scoperta del neutrino

    Gli antineutrini, come abbiamo visto, si formano all' interno dei reattori nucleari di fissione dove avviene la trasformazione dei neutroni in protoni; a rigor di logica, i neutrini dovrebbero formarsi a seguito della trasformazione contraria, cioè di protoni in neutroni. Questa trasformazione avviene nelle reazioni di fusione nucleare dove l' Idrogeno si trasforma in Elio : nelle reazioni di fusione nucleare quattro nuclei di Idrogeno, ossia quattro protoni, vengono convertiti in un nucleo di Elio, formato da due protoni e due neutroni; nel processo si formano anche due positoni e due neutrini.

    Per evidenziare i neutrini, sarebbe dunque stato necessario servirsi di un' interazione fra particelle contraria a quella usata per scoprire gli antineutrini, per ottenere i quali era stato necessario fare in modo che questi colpissero i protoni con produzione di neutroni e positoni.

    Per scoprire i neutrini, quindi, sarebbe stato necessario fare in modo che questi colpissero i neutroni per produrre protoni ed elettroni.

    Se quindi per scoprire gli antineutrini era stato necessario predisporre un bersaglio ricco di protoni, come quello formato da molecole d' acqua, per evidenziare i neutrini sarebbe stato necessario scegliere un bersaglio ricco di neutroni.

    Il metodo per rivelare i neutrini fu proposto da Bruno Pontecorvo, il quale fu anche il primo ad intuire l' oscillazione di queste particelle.

    Per quanto riguarda il bersaglio più adatto per registrare la presenza di neutrini allo stato libero, Pontecorvo propose di utilizzare un isotopo del Cloro, il Cloro-37, che possiede nucleo particolarmente ricco di neutroni. Se nel nucleo dell' atomo di Cloro-37 fosse riuscito a penetrare un neutrino in grado di produrre l' emissione di un elettrone, il neutrone si sarebbe trasformato in protone. Il Cloro-37, con un neutrone in meno e un protone in più, sarebbe diventato Argo-37, che è un elemento radioattivo e quindi sarebbe stato identificato con relativa facilità.

    A partire dalla metà degli anni sessanta, anche il fisico americano Raymond Davis si mise all' opera per scoprire i neutrini solari. Egli utilizzò come rivelatore un enorme recipiente colmo di tricloroetilene.

    L' osservatorio di neutrini venne quindi sistemato all' interno di una miniera abbandonata per schermarlo dalla radiazione di fondo, ossia da tutte quelle radiazioni provenienti dallo spazio che la roccia e il terreno sovrastante avrebbero assorbito. Restavano alcune radiazioni provenienti da materiale radioattivo contenuto nelle rocce che circondavano il sito dell' esperimento e, naturalmente, i neutrini che passano senza difficoltà attraverso tutti i materiali.

    L' osservatorio dei neutrini fornì un dato sconcertante: il numero di tali particelle provenienti dal Sole era solo un terzo di quello che avrebbero dovuto essere, considerando le teorie riguardanti i processi di fusione nucleare che avvengono all' interno delle Stelle. Secondo alcuni scienziati, la mancata concordanza fra teoria e osservazione poteva significare una diminuzione dell' attività solare che avrebbe potuto portare, in breve tempo, ad una nuova era glaciale. Altri tentarono invece una spiegazione meno radicale del fenomeno, basata su un processo chiamato "mixing", l' oscillazione dei neutrini da una forma all' altra, intuita alcuni anni prima da Pontecorvo.

    I neutrini hanno massa?

    Avuta la certezza dell' esistenza dei neutrini, rimaneva aperto il problema relativo alla loro massa: non si sapeva se questi ne possedessero e, in caso affermativo, se questa fosse piccola o piccolissima.

    Esistono diversi metodi per scoprire sperimentalmente se il neutrino possieda o no una massa, ma si tratta sempre di metodi di difficile applicazione pratica, tali da richiedere l'utilizzo di apparecchiature molto sensibili.

    Uno di questi si basa sul processo, già precedentemente citato, che prende il nome di "mixing". Come già detto, esistono tre tipi differenti di neutrini, con le rispettive antiparticelle: ciò suggerisce la possibilità, sulla base delle più moderne teorie della fisica, di uno scambio da una forma nell' altra.

    Gli strumenti utilizzati per monitorare le particelle provenienti dal Sole, di cui si è detto in precedenza, erano in grado di scoprire una sola varietà di neutrini: quella dotata di maggiore energia, cioè i neutrini elettronici. Questo era il motivo per il quale nell' esperimento descritto in precedenza ne venivano rilevati meno di quelli che partivano dal Sole.

    Secondo le leggi della meccanica quantistica, particelle dello stesso tipo possono trasformarsi le une nelle altre, ma solo se possiedono masse leggermente diverse. Pertanto, solo se almeno due dei tre tipi di neutrini esistenti avessero una massa diversa da zero, potrebbe avvenire la distribuzione nelle tre forme possibili, mentre se avessero tutti e tre massa pari a zero, non avverrebbe alcuna distribuzione.

    Scoprire quindi che le reazioni prodotte dai neutrini, all' interno di opportuni rivelatori, sono in numero inferiore a quelle previste rappresenterebbe, già di per sé, la prova che almeno due dei tre tipi di neutrino sono dotati di massa.

    Si sapeva che i reattori nucleari producevano un unico tipo di neutrino: il neutrino elettronico.

    Questo avveniva perché in essi si verificava un unico tipo di reazione e cioè la trasformazione del neutrone in protone, che avrebbe dovuto produrre un ben preciso numero di neutrini elettronici. I neutrini elettronici però, nel breve tragitto che li separava dall' apparecchio rivelatore, evidentemente si mettevano ad oscillare, cioè si trasformavano alternativamente e ripetutamente nelle tre specie esistenti: neutrini-mu, neutrini-tau e neutrini elettronici.

    Ad essere rivelati, tuttavia, erano solo questi ultimi, cioè gli unici ad essere in grado di reagire con la materia contenuta nel rivelatore e questa era la prova non solo dell' esistenza dei tre tipi di neutrini, ma anche che gli stessi non potevano avere tutti massa zero.

    Tra l' '80 e l' 81, un gruppo di ricercatori americani diretto da Fred Reines dell' Università della California a Irvine dimostrò che i neutrini dovevano possedere una massa.

    Nell' estate del 1982, gruppi di ricercatori americani, tedeschi e svizzeri, in modo indipendente gli uni dagli altri, avevano condotto ricerche molto accurate sull' oscillazione del neutrino, utilizzando strumenti molto sensibili e non erano riusciti a trovare alcuna traccia di oscillazione. Sorse quindi il dubbio che l' esperimento di Irvine non fosse stato condotto correttamente e che il numero di neutrini rivelato rispetto a quello che secondo i calcoli ci si doveva aspettare, poteva dipendere da un errore nel calcolo dei neutrini generati dal reattore. La conclusione di tutto ciò fu che, contrariamente a quello che si riteneva, il neutrino avrebbe potuto anche essere senza massa.

    Negli anni successivi, vennero effettuati altri esperimenti, tra cui quello di SUPERKAMIOKANDE (vedi pag. 17) che, nel giugno del 1998 annunciò di avere rivelato oscillazioni dei neutrini. Il gruppo aveva misurato il flusso di neutrini elettronici e muonici provenienti dagli sciami provocati da raggi cosmici che urtano l' atmosfera. Il flusso relativo di neutrini muonici provenienti dall' alto risultava superiore al flusso proveniente dal basso, che quindi ha attraversato tutta la Terra, e questo si spiega solo ipotizzando che i neutrini muonici provenienti da più lontano abbiano avuto tempo di cambiare stato e diventare di altro tipo.

    Tra i vari esperimenti vi è quello in cui gruppi canadesi ed americani hanno installato un rivelatore che sfrutta l' effetto Cerenkov in acqua, il cui interno è costituito da 1000 t di acqua pesante, circondate da un opportuno schermo di acqua naturale. Il tutto è installato a grande profondità in una miniera di Nichel, in prossimità di Sudbury nell' Ontario Canadese.

    Un tale esperimento poteva realizzarsi solo in Canada, data la ricchezza di acqua pesante in questo paese, conseguenza delle tecnologie utilizzate per gli impianti di energia nucleare. L'esperimento è in funzione e nel giugno 2001 ha fornito i primi dati.

    L' interpretazione più semplice e lineare di questi risultati è la seguente:

    • i neutrini oscillano tra loro, non vi è necessità di invocare nuovi tipi di neutrini, ad es. neutrini "sterili", per spiegare questo risultato ed il complesso dei dati da neutrino solare,
  • nell'ipotesi di oscillazione tra neutrini elettronici, muonici e tauonoci, è possibile valutare il flusso totale di neutrini: esso risulta molto vicino al flusso predetto dal modello standard del Sole,
  • sempre nell' ipotesi di oscillazioni, l' insieme dei dati di neutrino solare consente di limitare le regioni possibili per i parametri che definiscono l' oscillazione; il valore "preferito" per questi parametri è, nell' ipotesi delle oscillazioni a due neutrini, circa 0,85 per il miscelamento e 4x10-5 eV2 per la differenza tra i quadrati delle masse dei neutrini; questa è nota come soluzione con "large mixing angle (LMA)".

    Negli ultimi anni, in Giappone, è stato utilizzato un acceleratore di particelle denominato KEK, che si trova a circa 250 km dal rivelatore Superkamiokande. Questo acceleratore è in grado di "sparare" verso il SK un fascio di neutrini muonici con energia e direzione conosciute. Per controllare i risultati dell' esperimento è stato posto, nelle sue immediate vicinanze un rivelatore simile a quello del SK. In questo modo il fascio è intercettato sia quando è appena partito che quando arriva al SK; eventuali differenze sarebbero la prova di un'oscillazione dei neutrini. Ebbene, dopo un anno di "fuoco", mancano all' appello circa il 30% dei neutrini muonici attesi.

    Un altro esperimento è quello del rivelatore giapponese KamLand, il quale, in circa centocinquanta giorni di osservazione, è riuscito a individuare solo cinquantaquattro antineutrini elettronici, invece degli ottantasette che ci si aspettava: uno scarto significativo, dal quale si deduce che alcune di queste particelle si trasformano in muoni o antineutrini tau, proprio come i neutrini emessi dal Sole.

    L' ultimo esperimento effettuato è quello di OPERA. I neutrini dell' esperimento sono partiti dal complesso di acceleratori del CERN di Ginevra (vedi pag.15 ) e sono arrivati ai laboratori sotterranei del Gran Sasso dell' INFN (vedi pag.15 ). I neutrini hanno corso ad una velocità di centinaia di migliaia di chilometri orari, per una distanza di 730 chilometri, alla fine sono arrivati e sono stati fotografati. Il rivelatore OPERA ha individuato e registrato per la prima volta un neutrino interagente nel suo bersaglio di emulsioni nucleari. I laboratori sono situati a una distanza di 730 km dal CERN, distanza che i neutrini percorrono in circa 2.4 millisecondi. Il neutrino osservato al Gran Sasso ha prodotto una cascata di altre particelle, identificate dai complessi rivelatori elettronici dell' esperimento. Circa 300 eventi di neutrino sono stati già rivelati lo scorso anno da OPERA, nella fase di collaudo del fascio di neutrini e del rivelatore. Ma questa nuova rivelazione è molto più importante: il bersaglio sensibile del rivelatore si sta ora progressivamente riempiendo, giorno dopo giorno. Esso sarà costituito da più di 150.000 piccoli elementi chiamati "bricks", ognuno equivalente ad una sorta di sofisticata macchina fotografica. Grazie a tali bricks, composti da lastre di piombo e speciali pellicole di emulsione nucleare, per una massa totale di circa 1300 tonnellate, i ricercatori di OPERA saranno in grado per la prima volta di rivelare tutti i particolari degli "eventi di oscillazione di neutrino", misurando con una precisione elevatissima tutte le particelle prodotte nell' interazione. L' evento del 2 Ottobre è appunto avvenuto in uno degli oltre 60.000 bricks già installati nel rivelatore. L' obiettivo scientifico dell' esperimento è d' interesse fondamentale per la Fisica delle Particelle Elementari, ma estremamente difficile da ottenersi. Tra alcune migliaia di queste particolari "foto di neutrini", si cercheranno alcuni eventi speciali che indichino l' interazione di un tipo di neutrino, detto neutrino-tau, non presente inizialmente nel fascio proveniente dal CERN, che è formato solo da neutrini di tipo "mu".

    L' osservazione di pochi neutrini-tau tra un gran numero di convenzionali neutrini-mu sarà la prova a lungo cercata della trasformazione diretta di un tipo di neutrino in un altro: il cosiddetto meccanismo di oscillazione dei neutrini.

    La "sparizione" di neutrini di un certo tipo è stata già osservata da alcuni esperimenti negli ultimi 15 anni, ma "l' apparizione diretta" è ancora una rilevazione da ottenere.

    Quanto pesa un neutrino?

    Sapere che il neutrino deve avere una massa non significa ancora conoscerne l'entità.

    Negli anni '80, un gruppo di fisici russi che lavorava presso l' Istituto di Fisica Teorica e Sperimentale di Mosca annunciò di essere riuscito a pesarne uno. Si trattava, ovviamente, di una misura indiretta, ricavata dagli effetti che il neutrino determinava sulle particelle coinvolte nelle reazioni alle quali partecipava.

    Negli anni seguenti, l' esperimento venne sottoposto a critiche molto severe, che ne misero in dubbio la validità.

    Infatti, in questo caso gli esperimenti russi erano stati eseguiti misurando il decadimento del Trizio, un particolare atomo dell' Idrogeno nel cui nucleo, invece che un unico protone, vi sono anche due neutroni. L' atomo di Trizio non era isolato, ma legato ad una molecola organica a struttura piuttosto complessa. Questo fatto creava seri problemi riguardanti la misura dell' energia in campo. Quando il neutrone che si trovava all' interno del nucleo del Trizio decadeva, cioè si trasformava in un protone e in un elettrone, l' energia che si sprigionava avrebbe potuto trasferirsi sia alla molecola complessa alla quale l' atomo era legato, sia alle particelle generate dalla scissione del neutrone. Il trasferimento di energia alla molecola, che non è facilmente determinabile, abbasserebbe tuttavia il valore dell'energia cinetica presente sull' elettrone espulso dal nucleo di Trizio e questa diminuzione di energia potrebbe essere confusa con la presenza di un neutrino.

    Tale esperimento venne rifatto in altri laboratori impiegando il Trizio contenuto in materiale diverso da quello utilizzato la prima volta o anche in forma isolata, ossia come gas. I risultati ottenuti continuavano ad essere contraddittori e incerti.

    Su due punti tuttavia tutti erano d' accordo e cioè sul fatto che gli esperimenti non escludevano la possibilità che la massa del neutrino potesse essere zero e inoltre che la massa del neutrino, qualora dovesse esistere, avrebbe dovuto essere molto più piccola di quella finora ipotizzata, addirittura dell' ordine del milionesimo di quella dell' elettrone, che a sua volta ha una massa estremamente esigua: 9,11 ·10-31 Kg.

    Come si rivelano i neutrini?

    Per quanto riguarda i neutrini provenienti da sorgenti artificiali, si costruiscono speciali rivelatori che vengono posti nelle vicinanze delle sorgenti, reattori o acceleratori di particelle, dove in numero di neutrini è talmente grande che almeno qualcuno di essi viene catturato nel rivelatore.

    Per quanto riguarda i neutrini di origine naturale, data la rarità delle interazioni, occorre costruire rivelatori con una massa molto grande, dell' ordine di molte tonnellate e porsi in un ambiente in cui solo i neutrini possano giungere, in modo da eliminare ogni altra possibile particella che possa essere confusa con un neutrino.

    Gli esperimenti vengono quindi costruiti sotto terra in miniere o in tunnel autostradali. La roccia e la terra sovrastante bloccano tutte le particelle tranne i neutrini, che giungono indisturbati fino al rivelatore, dove qualcuno di essi viene alla fine catturato.

    • I rivelatori al Cloro consistono in serbatoi riempiti di Tetracloruro di Carbonio. In questi rivelatori un neutrino converte un atomo di Cloro in uno di Argon. 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. 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, su periodi dell' ordine del mese.
    • I rivelatori al Gallio sono simili a quelli al Cloro dal punto di vista del funzionamento, ma più sensibili ai neutrini a bassa energia. Anche in questo caso non si ottengono informazioni sulla direzione del neutrino.
    • 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. Questo genera una emissione ottica, radiazione Cherenkov, 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. Questo rivelatore è sensibile a tutti i tipi di neutrino, anche se con sezioni d' urto diverse. Uno svantaggio di questa tipologia di rivelatori consiste nell' elevata soglia 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".

    Quali sono i principali esperimenti sui neutrini?

    Per ragioni di sintesi, illustrerò qui di seguito due dei principali laboratori che studiano i neutrini e alcuni degli esperimenti effettuati.

    I Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS)

    Sono uno dei quattro laboratori dell' INFN, tra i più grandi laboratori sotterranei del mondo in cui si realizzano esperimenti di fisica delle particelle, astrofisica delle particelle e astrofisica nucleare.

    Situati tra le città di L' Aquila e Teramo, a circa 120 km da Roma, i Laboratori sono utilizzati come struttura a livello mondiale da scienziati provenienti da 22 paesi diversi; attualmente ne sono presenti circa 750 impegnati in circa 15 esperimenti in diverse fasi di realizzazione.

    Le strutture sotterranee sono collocate su un lato di un tunnel autostradale lungo 10 chilometri che attraversa il Gran Sasso, direzione Roma, e consistono di tre grandi sale sperimentali, ognuna delle quali misura circa 100 m. di lunghezza, 20 m. di larghezza e 18 m. di altezza e tunnel di servizio, per un volume totale di circa 180,000 metri cubi.

    I 1400 m. di roccia che sovrastano i Laboratori costituiscono una copertura tale da ridurre il flusso dei raggi cosmici di un fattore un milione; inoltre, il flusso di neutroni è migliaia di volte inferiore rispetto alla superficie, grazie alla minima percentuale di Uranio e Torio presente nella roccia di tipo dolomitico che costituisce la montagna.

    Il Centro Direzionale e le strutture di supporto, quali uffici, servizi vari, biblioteca e mensa, sono locati nei laboratori esterni.

    Sia la struttura esterna che quella sotterranea dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso rientrano nell' ambito del Parco Nazionale del Gran Sasso e dei monti della Lega.

    Compito dei Laboratori del Gran Sasso è di ospitare esperimenti nel campo dell' astrofisica nucleare e della fisica delle particelle, che necessitino di un ambiente a bassa radioattività naturale, nonché di altre discipline che possano trarre vantaggio dalle sue caratteristiche ed infrastrutture.

    Principali argomenti di ricerca dell' attuale programma sono: la fisica dei neutrini naturalmente prodotti nel Sole e in esplosioni di Supernovae e lo studio delle oscillazioni del neutrino attraverso un fascio di neutrini provenienti dal CERN (programma CNGS), la ricerca della massa del neutrino in decadimenti doppio b senza emissione di neutrini, la ricerca sulla materia oscura e lo studio di reazioni nucleari di interesse astrofisico.

    CERN

    Il nome significa Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire. Storicamente il nome è l'acronimo di Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, poiché dopo la seconda guerra mondiale si sentì il bisogno di fondare un centro europeo all' avanguardia per la ricerca, per ridare all' Europa il primato nella fisica, dato che in quegli anni i principali centri di ricerca si trovavano tutti negli Stati Uniti.

    A questo scopo venne riunito un consiglio di scienziati, che decise in seguito di costruire il laboratorio, uno dei più grandi al mondo nella fisica delle particelle, situato al confine tra Svizzera e Francia, alla periferia ovest della città di Ginevra. La convenzione che istituiva il CERN fu firmata il 29 settembre 1954 da 12 stati membri. Oggi ne fanno parte 20 stati membri, più alcuni osservatori anche extraeuropei.

    Qui i fisici cercano di esplorare i segreti della materia e le forze che regolano l'universo ed il CERN esiste soprattutto per fornire ai ricercatori gli strumenti necessari per la ricerca in fisica delle alte energie, attraverso complessi esperimenti. Questi strumenti sono principalmente gli acceleratori di particelle, che portano nuclei atomici e particelle sub-nucleari ad energie molto elevate e rivelatori, che permettono di osservare i prodotti delle collisioni tra fasci di queste particelle. Ad energie sufficientemente elevate, i prodotti di queste reazioni possono essere radicalmente differenti dai costituenti originali dei fasci e a più riprese sono state prodotte e scoperte in questa maniera particelle fino a quel momento ignote.

    GALLEX E GNO

    Presso i Laboratori del Gran Sasso, si è realizzato l' esperimento Gallex (GALLium EXperiment), per osservare accuratamente il flusso di neutrini elettronici provenienti dal Sole, primo esperimento al mondo a riuscire in questo intento. Si tratta di un rivelatore, formato da un contenitore che racchiude 30 tonnellate di Gallio, sensibile anche ai neutrini che possiedono un livello di energia basso. Sebbene mille miliardi di neutrini attraversino l' esperimento ogni giorno, solo uno di questi, in media, viene assorbito da un nucleo di Gallio.

    Gallex sfrutta la proprietà di queste particelle di trasformare il Cloruro di Gallio, allo stato liquido, in Cloruro di Germanio. Però, durante il lungo viaggio dal centro del Sole alla Terra, circa la metà dei neutrini scompaiono, poiché si trasformano negli altri tipi di neutrini, che Gallex non è in grado di rivelare.

    Al posto di Gallex ora è in funzione, dal 1998, GNO (Gallium Neutrinum Observatory), un esperimento che monitorerà l' arrivo di neutrini per un intero ciclo solare, di circa 11 anni, tenendo sotto controllo l' attività del Sole ed eliminando gradualmente le incertezze sperimentali.

    BOREXINO

    Questo esperimento, presso i Laboratori del Gran Sasso, studia in tempo reale i neutrini, con altissima precisione: é costituito da una sfera centrale perfettamente trasparente, contenente circa 300 tonnellate di liquido sensibile ai neutrini, circondata da due liquidi schermanti che la proteggono dai disturbi. Tutta la struttura é immersa in un contenitore con 2.400 tonnellate di acqua purissima. Interagiscono ogni giorno circa 50 neutrini che, urtando gli elettroni nella parte centrale, provocano un piccolo lampo di luce captato da sensori racchiusi in una sfera d' acciaio.

    SUPERKAMIOKANDE

    SuperKamiokande é situato a oltre 1 Km di profondità nelle miniere sotto la montagna Ikena vicino a Takayama; tale locazione permette una schermatura da tutte le particelle provenienti dai raggi cosmici, eccetto i neutrini. Consiste in un recipiente colmo di 50 mila tonnellate di acqua purificata, nella quale avvengono le interazioni dei neutrini, mentre migliaia di fotomoltiplicatori sono in grado di individuare il più lieve bagliore prodotto da un neutrino nell' acqua. Hanno contribuito all' esperimento 120 scienziati giapponesi e americani. SuperKamiokande ha rivelato il fenomeno delle oscillazioni.

    CAPRICE

    E' un pallone aerostatico mandato in cielo dal Royal Institute of Technology di Stoccolma. E' stato attribuito questo nome particolare perché l' esperimento é servito a togliersi un "capriccio scientifico": verificare se fossero corrette le ipotesi alla base dell' esperimento giapponese SuperKamiokande, che aveva solo fatto una stima dei neutrini che "partono" realmente verso la Terra, basandosi su una simulazione al computer.

    Caprice é salito a 38 Km di quota, portando uno strumento per contare quali e quanti neutrini fossero presenti nell' atmosfera, osservando che la simulazione giapponese fornisce una stima per eccesso dei neutrini muonici di partenza: il 36 per cento in più di quanti ne ha trovati Caprice. Tutto ciò però non ridimensiona la portata degli esperimenti finora condotti.

    LVD

    Significa "Large Volume Detector", è un esperimento ospitato nel Gran Sasso con le caratteristiche di un potente telescopio neutrinico, per osservare eventuali collassi stellari nella nostra Galassia e nelle Nubi di Magellano. Il rivelatore é costituito da una struttura di tre torri con un totale di 1080 tonnellate di liquido sensibile ai neutrini.

    ICARUS

    Istituito presso i Laboratori del Gran Sasso, ICARUS significa "Imaging Cosmic And Rare Underground Signals", prevede l' uso di Argon liquido e sofisticate tecniche di ricostruzione di immagini tridimensionali per lo studio di neutrini solari, atmosferici, da Supernovae, da decadimento del protone e di altri eventi molto rari.

    Telescopi sottomarini

    Il motivo per cui è stata trovata una soluzione di indagine così particolare è dovuto al fatto che il mare svolge un' azione di rivelatore e al tempo stesso di schermo per cogliere la presenza delle particelle.

    A 2.400 m di profondità, presso Tolone, è stato adagiato Antares, "Astronomy with a Neutrinum Telescope and Abyss Environmental Research", il telescopio sottomarino al quale hanno lavorato circa 130 ricercatori appartenenti a laboratori e università di Gran Bretagna, Francia, Spagna, Russia e Olanda e che ha lo scopo di studiare le Stelle per rivelarne fasci di neutrini.

    ARGO

    Questo rivelatore, la cui installazione è terminata nel 2004 in un laboratorio in Tibet, a 4300 m. sul livello del mare, ha il compito di osservare fotoni di altissima energia prodotti in particolari sistemi, come le Supernovae, le Stelle di neutroni e i buchi neri. Le caratteristiche peculiari di Argo consentono l' identificazione di fotoni altamente energetici, che normalmente sono confusi tra raggi cosmici ben più numerosi.

    TPC

    Presso i laboratori del CERN è stato realizzato un prototipo di TPC a GEM particolarmente innovativo. Il rivelatore utilizza tre GEM circolari di 30 cm di diametro e presenta un volume di drift di 1,5 m., nel quale è possibile formare un campo magnetico solenoidale fino a 0,7 T.

    Il piano di lettura, detto hexaboard, è formato da circa 700.000 pad esagonali di 300 mm. di lato e con passo di 500 mm. Pad consecutivi sono collegati attraverso delle piste di rame disposte in tre gruppi di 576. Ogni gruppo forma con gli altri un angolo di 120° e si sviluppa su di un piano differente. In questo modo il segnale prodotto dalle GEM può essere misurato con un' ottima risoluzione spaziale con un limitato numero di canali, riuscendo a risolvere casi di ambiguità in presenza di segnali simultanei. Si sono effettuati dei primi test di funzionamento con un volume di deriva limitato ( 5 cm), utilizzando una miscela di gas argon-CO2 .

    Qual è la funzione dei neutrini nell' Universo?

    Se la massa di una data specie di neutrino fosse almeno 1/30.000 di quella dell' elettrone, una parte della Materia Oscura potrebbe essere formata da neutrini e determinare l' evoluzione futura dell' Universo.

    Qualora invece la massa del neutrino fosse veramente infima, il neutrino stesso perderebbe di interesse da un punto di vista cosmologico perché, nonostante l' abbondanza di neutrini (si calcola che debbano esserci un miliardo di neutrini per ogni particella pesante, ossia protoni e neutroni, che costituisce la materia ordinaria), essi non sarebbero in grado di spiegare l' evoluzione della struttura che ha portato all' attuale disposizione delle galassie.

    In base alla sua massa, dunque alla sua densità media, vi sono tre possibili futuri per l' Universo; si definisce come densità critica quel valore di 2,7 x 10-30 g / cm.3 preso come punto di riferimento, in base al quale si prefiggono tre possibili futuri per l'Universo.

    "Universo stazionario"

    Nel 1948 Herman Bondi e Thomas Gold avanzarono una teoria secondo la quale l' Universo doveva apparire grosso modo sempre uguale a se stesso in qualsiasi tempo e in qualsiasi punto dello spazio lo si osservasse. Questo è il caso nel quale la densità dell' Universo corrisponde a quella critica.

    Questo modello non escludeva che l' Universo medesimo fosse in via di espansione (come evidenziavano le osservazioni relative al "red shift", cioè allo spostamento verso il rosso delle righe spettrali), ma prevedeva che, a mano a mano che le galassie si allontanavano l' una dall'altra, nuova materia avrebbe dovuto essere creata dal nulla in quantità esattamente sufficiente a compensare la diminuzione della densità causata dall'espansione. Il modello non convinse la comunità scientifica per una serie di motivi, a cominciare dalla impossibilità di controllare la formazione di nuova materia che si sarebbe generata al ritmo di un atomo di idrogeno per metro cubo ogni miliardo di anni.

    "Universo aperto"

    Nel caso in cui la densità fosse inferiore a quella critica, si sceglierebbe, invece, il modello del Big Bang proposto da George Gamow nel 1946. Sarebbe dunque possibile prevedere una fine dell' Universo, perché in questo caso ci sarebbe stato un inizio. Il modello del Big Bang prevede infatti che l' Universo sia comparso dal nulla, sotto forma di "particella quantistica", circa 15 miliardi di anni fa e, subito dopo la nascita, abbia cominciato ad espandersi e a riempirsi di materia ed energia.

    I corpi in esso presenti, col passare del tempo, si raffredderanno sempre più. Si raffredderanno la Terra e gli altri pianeti, il Sole e le altre Stelle, si raffredderà ogni cosa. Le Stelle però non si comporteranno tutte allo stesso modo: alcune si raffredderanno lentamente e gradualmente, altre lo faranno passando attraverso una serie di processi di trasformazione che ne cambieranno profondamente l'aspetto. Ma alla fine ogni cosa sarà fredda.

    Contemporaneamente al raffreddamento dei corpi celesti, si verificheranno delle collisioni che porteranno, in alcuni casi, alla frantumazione dei corpi più grandi in corpi più piccoli e in altri casi alla cattura dei corpi più piccoli da parte di quelli più grandi.

    Poiché i corpi più massicci, in seguito alla loro aggregazione con quelli più piccoli, aumenteranno ulteriormente la loro massa e quindi il raggio di azione della loro forza gravitazionale, si otterrà l' effetto che i corpi piccoli diminuiranno di numero, mentre aumenterà progressivamente la massa di quelli più grandi.

    Ogni corpo di piccola massa catturato da uno di massa maggiore, oltre che materia, porta con sé anche energia cinetica, che si convertirà in calore al momento dell' impatto. Questo calore dovrà quindi essere smaltito unitamente a quello prodotto dalla stella, in seguito alle reazioni nucleari che avvengono al suo interno. Ciò provocherà un ulteriore allungamento dei tempi di raffreddamento.

    Le Stelle sono delle enormi masse di gas destinate a contrarsi sotto la spinta della forza di gravità da loro stesse generata, fino a diventare più piccole dei pianeti, a meno che contemporaneamente, al loro interno, non avvengano le reazioni nucleari di fusione che sviluppano il calore necessario a mantenere espanso il loro volume. Le reazioni nucleari che avvengono nel centro delle Stelle consumano idrogeno, che si trasforma in elio e in altri elementi più pesanti. Quando la riserva di Idrogeno raggiunge certi valori minimi e le reazioni non sono più sufficienti a creare il calore necessario ad opporsi alla forza di gravità, questa ha il sopravvento e la Stella collassa direttamente in un corpo più piccolo, se le sue dimensioni sono inferiori o pari a quelle del Sole, oppure esplode prima di collassare, se è di dimensioni maggiori. In quest' ultimo caso, il residuo della Stella esplosa si trasforma in una pulsar o in un buco nero, cioè in corpi estremamente densi e dotati quindi di una forza di gravitazione intensissima, capace di catturare qualsiasi cosa s' avvicini, compresa la luce, nel caso dei buchi neri.

    Dopo un certo tempo, la nostra Galassia, come tutte le altre, sarà piena di Stelle collassate che emetteranno poca luce, mentre non ne emetteranno alcuna i buchi neri e corpi planetari freddi e bui. Tutte queste galassie continueranno a girare su se stesse come fanno attualmente e ad allontanarsi da tutte le altre, se la spinta propulsiva del Big Bang continuerà a prevalere sull' attrazione gravitazionale da loro stesse prodotta.

    All' interno di ogni singola galassia, continueranno nel frattempo le collisioni e i corpi di massa maggiore attrarranno e cattureranno le polveri residue, i pianeti, i frammenti di corpi celesti e le Stelle collassate di piccole dimensioni, diventando in tal modo ancora più grandi. A loro volta, questi corpi precipiteranno nei numerosi buchi neri di varie dimensioni che frattanto si saranno formati dall' esplosione delle Stelle più massicce. Ogni cosa, alla fine, risentirà dell' attrazione gravitativa del buco nero più grande che dovrebbe trovarsi al centro di ogni galassia. Gli astronomi ritengono infatti che al centro della nostra Galassia e, per analogia al centro di tutte le altre, vi sia un enorme buco nero in costante crescita.

    Alla fine, l' Universo sarà pieno di galassie trasformate in giganteschi buchi neri in allontanamento reciproco. Questo sarebbe lo scenario finale, qualora l' Universo dovesse essere "aperto" cioè in perpetua espansione, e i buchi neri strutture stabili.

    "Universo chiuso"

    Ma l' Universo potrebbe non essere aperto e i buchi neri potrebbero essere strutture precarie, invece che stabili. Un tempo i buchi neri erano ritenuti qualche cosa di definitivo, da cui nulla poteva uscire, quando tutta la materia e l' energia esistente fosse stata catturata. Recentemente però, il fisico inglese Stephen W. Hawking, applicando le leggi della meccanica quantistica, ha scoperto che i buchi neri potrebbero "evaporare", cioè da essi potrebbe uscire materia sotto forma di particelle subatomiche, elettroni e protoni, ed energia sotto forma di fotoni.

    Le particelle subatomiche, dopo essere uscite dai buchi neri, a loro volta, dovrebbero decadere, cioè trasformarsi. Si sa da tempo che i neutroni, se non sono associati ai protoni, cioè se non sono all' interno dei nuclei atomici, sono instabili e si trasformano, nel giro di pochi minuti, in protoni ed elettroni. Fino a poco tempo fa, tuttavia, si riteneva che i protoni fossero particelle stabili e immutabili, cioè che avessero una vita infinita. Recentemente invece sono state avanzate delle teorie sulle particelle elementari, secondo le quali i protoni dovrebbero essere instabili e quindi destinati a decadere, anche se molto lentamente, in positoni, fotoni e neutrini. Se le cose stessero effettivamente in questi termini, gli elettroni superstiti, incontrandosi con i positoni di nuova formazione, dovrebbero annichilarsi producendo energia pura sotto forma di fotoni.

    Si calcola che trascorsi 10100... anni, l' Universo sarà ridotto ad un' enorme palla piena di fotoni, neutrini ed antineutrini in perpetua espansione. Lo spazio sempre più ampio a disposizione dell' energia e della gran quantità di corpuscoli di massa insignificante diventerà qualche cosa che assomiglia sempre più al vuoto, proprio a quel vuoto da cui l' Universo avrebbe preso l' avvio. Si può quindi immaginare che in un futuro molto lontano si creeranno quelle condizioni di vuoto assoluto, entro il quale le fluttuazioni casuali potrebbero produrre quella particella quantistica che dette inizio, miliardi e miliardi di anni prima, al nostro Universo.

    In un Universo chiuso, cioè in un Universo nel quale prima o poi l' espansione si esaurirà e comincerà la contrazione sotto l' azione della forza gravitazionale, alla fine si dovrebbe assistere al collasso di tutta la materia e di tutta l' energia esistente in una struttura compatta di densità infinita. Si dovrebbe cioè verificare il cosiddetto "Big Crunch", o grande implosione, che porterebbe ogni cosa alla particella quantistica iniziale, dalla quale potrebbe scaturire un nuovo Universo e da questo un altro e dopo questo un altro ancora, in una successione inarrestabile. Quest' ultimo è il caso in cui la densità dell' Universo è superiore a quella critica.

    Qual è il rapporto tra materia oscura e neutrini?

    La materia oscura è la materia che non osserviamo, ma che sappiamo esistere, perché ne vediamo gli effetti gravitazionali.

    Effetti che sono sostanzialmente due:

    • il moto delle Stelle nelle regioni esterne delle galassie, Stelle che si muovono troppo velocemente per la massa che osserviamo,
    • l' esistenza stessa degli ammassi di galassie, che non sarebbe possibile perché non sembra abbiano abbastanza massa per rimanere aggregati.

    Oltre a queste due osservazioni, anche alcune osservazioni cosmologiche sull' Universo primitivo ci danno indizi che la densità complessiva di materia nell' Universo dovrebbe essere più grande di quella della luce visibile, in modo da ottenere un modello di Universo compatibile con le osservazioni.

    Inoltre gli astrofisici ipotizzano che l' Universo sia una sfera, e tuttavia noi ne conosciamo solo due parti triangolari, dunque viene spontaneo chiedersi cosa ci sia nel resto della sfera.

    Ancora, tra i risultati delle fissioni nucleari nelle Stelle, ci sono anche elettroni positivi, mentre normalmente, sono negativi, neutrini di base e neutrini uon ed etauon, che non conosciamo. Così si è arrivati ad ipotizzare che esistano ancora molte particelle subatomiche sconosciute, in particolare si ipotizzano quelle con cariche elettriche opposte a quelle delle rispettive particelle conosciute. In effetti, si stanno ancora cercando i protoni negativi.

    Si stima che nelle galassie vi sia 10 volte più massa di quella che noi possiamo osservare sotto forma luminosa. Negli ammassi di galassie si misura addirittura una massa 100 volte superiore a quella visibile sotto forma di galassia. In tutti i casi, appare difficile che la materia oscura sia tutta sotto forme a noi note, come Stelle poco massicce o buchi neri, perché le nostre conoscenze sulla nucleosintesi primordiale pongono dei limiti superiori alla quantità di protoni e neutroni che possono essersi formati.

    I neutrini sono un candidato possibile per la materia oscura: infatti gli ultimi esperimenti dimostrano che sono dotati di massa, ma questa è comunque troppo piccola per dare un contributo cosmologico dominante, e in più le simulazioni effettuate al calcolatore hanno mostrato che anche con i neutrini non si riescono a riprodurre le caratteristiche delle strutture osservate. È possibile invece che esistano particelle più massicce, suggerite dalle teorie di grande unificazione della fisica. I candidati sono tanti, ma l'esistenza di almeno una di queste particelle è ancora da dimostrare.

    Un modo alternativo per capire quanta materia ci sia nell' Universo è quello di misurare direttamente la variazione della velocità di espansione. Ci aspettiamo infatti che, quanta più materia c'è, tanto più l' espansione sia rallentata. Si tratta di una misura molto ardua da effettuare, e finora nessuno è riuscito ad ottenere dei risultati convincenti. Occorre avere una classe di oggetti di cui sia nota la luminosità intrinseca, e misurarne la luminosità apparente, in modo da poterne dedurre la distanza, così come aveva fatto Hubble con le Cefeidi.

    Il problema è che, per distinguere fra i vari modelli, occorre spingersi a redshift elevati ed occorrono dunque oggetti molto luminosi; per questo non si possono usare le Cefeidi. Ma, fortunatamente, vi è un particolare tipo di Supernovae di cui si può stimare la luminosità intrinseca in maniera sufficientemente precisa e che può essere osservato anche ad alto redshift. I risultati preliminari di due gruppi di ricerca che osservano Supernovae lontane indicano sorprendentemente che l' Universo non sta rallentando, ma accelerando. Questo fatto può essere spiegato dalla presenza di una costante cosmologica positiva, che in effetti agisce come una forza repulsiva. In questo caso, l' età dell' Universo sarebbe più grande di quella stimata finora, risolvendo ogni eventuale contraddizione con l' età delle Stelle più vecchie. Inoltre, le proprietà della distribuzione delle galassie sono meglio descritte proprio da quei modelli che includono la costante cosmologica.

    Nella fisica moderna, la costante cosmologica viene interpretata come una manifestazione dell'energia del vuoto. Infatti, il vuoto nella fisica quantistica non è il "nulla"; ha proprietà ben precise ed è popolato da particelle "virtuali". Se i risultati delle osservazioni verranno confermati, la costante cosmologica dominerebbe l'energia dell'universo. La maggior parte dell'energia rimanente sarebbe dovuta alla componente oscura, mentre la materia visibile costituirebbe solo una frazione trascurabile. Paradossalmente, il valore osservato della costante cosmologica è piccolo rispetto al numero enorme predetto dalla fisica delle particelle. Dunque vi è ancora molto lavoro da fare, sia dal punto di vista sperimentale che teorico, per comprendere la natura di ciò che contribuisce all'energia dell'universo.

    Quali applicazioni pratiche possono avere i neutrini?

    Distruzione di missili balistici

    Scienziati del laboratorio giapponese KEK e dell' Università delle Hawaii, hanno messo a punto un progetto che prevede l' impiego di raggi di neutrini ad altissima energia per distruggere missili balistici equipaggiati con testate nucleari.

    Un progetto futuribile attuabile sulla carta ma non certo nella realtà, visto che gli stessi scienziati, ammettono l' incapacità degli attuali acceleratori di particelle a supportare il metodo. Infatti, per produrre neutrini con una simile energia, il diametro dell' anello di accumulazione di muoni dovrebbe essere di 1.000 chilometri, centinaia di volte più grande rispetto gli attuali acceleratori. I magneti dovrebbero raggiungere una potenza superiore di uno o due ordini di grandezza rispetto a quelli attuali. Inoltre, il progetto richiederebbe forti risorse per la ricerca di sviluppo ed enormi investimenti finanziari, oltre 100 miliardi di dollari. Infine, il consumo richiesto da una simile struttura sarebbe troppo elevato: 50 GW di energia.

    Stando al progetto, i fasci di neutrini, con una potenza energetica di 1000 TeV, verrebbe puntati e proiettati attraverso la Terra verso l' obiettivo da colpire. Durante la veicolazione, i neutrini produrrebbero neutroni. Le bombe colpite dal fascio energetico subirebbero reazioni di fissione del Plutonio o dell' Uranio, che determinerebbero la fusione o vaporizzazione dell' ordigno. Il progetto dovrà essere ulteriormente studiato, in particolare, l' interazione del fascio di neutrini con la bomba che potrebbe anche scoppiare anziché fusionare o vaporizzare.

    Chips

    I chips di nuova generazione saranno ottici, capaci di ospitare in sé decine di componenti, in grado di far scorrere all' interno dei loro segreti circuiti non più gli elettroni, ma particelle di luce, i fotoni.

    La ricerca non ha ancora terminato di sperimentare tutte le possibili applicazioni del chip ottico, che potrebbe aprire nuove potenziali frontiere per un mezzo di comunicazione: applicare alle telecomunicazioni la trasmissione di fasci di neutrini.

    Dentro alla Case Bianche dei Pirelli Labs si sta studiando la trasmissione a neutrini, poichè questi sono in grado di attraversare l' intero pianeta con un' attenuazione del segnale trascurabile.

    Di fatto questi esperimenti proseguono quelli intrapresi nei primi anni novanta dalla Marina Militare degli Stati Uniti e dalla Università Statale di Milano.

    Un "laser a neutrini", a differenza di quello ottico, potrebbe emettere un fascio in grado di attraversare oltre 12 mila chilometri di materiale con una attenuazione del segnale non significativa.

    Conclusione

    Giunta al termine del mio lavoro, ho raggiunto gli scopi che inizialmente mi ero prefissa.

    Ho descritto in che cosa consistano i neutrini, ne ho illustrato la storia, ho parlato delle principali scoperte che hanno portato a comprendere come questi possiedano una massa, di cui ancora non si conosce, però, l' entità.

    Inoltre, ne ho illustrato il ruolo per quanto riguarda la materia oscura ed il futuro dell' Universo, dimostrando che numerosi problemi sono ancora aperti.

    La ricerca svolta sui neutrini mi ha aiutato ad ampliare la mia conoscenza riguardo tale argomento, non di facilissima comprensione e di cui si sente parlare poco, o per nulla.

    Bibliografia

    Enciclopedia Multimediale Rizzoli Larousse - Edizione 2001

    Enciclopedia Multimediale Microsoft Encarta - Edizione 2000

    James S. Walker - Fisica Volume Terzo (Elettromagnetismo, Fisica atomica e subatomica) - Zanichelli editore

    Rivista Focus n° 178 - Articolo"Il lato oscuro" - Gruner + Jahr / Mondadori Editore

    http://ulisse.sissa.it/scienzaEsperienza/notizia2006/mar/uesp060407n004

    http://scienzapertutti.lnf.infn.it/P3/pag16.html

    Indice

    Introduzione....................................................................................................................pag 1

    Cosa sono i neutrini?.......................................................................................................pag 2

    Come nascono i neutrini?..................................................................................................pag3

    • Neutrini terresti..............................................................................................................pag3
    • Neutrini atmosferici........................................................................................................pag3
    • Neutrini solari.................................................................................................................pag4
    • Neutrini da esplosione di Supernovae.............................................................................pag4
    • Neutrini fossili................................................................................................................pag5
    • Neutrini da acceleratori di particelle................................................................................pag5
    • Neutrini da reattori nucleari............................................................................................pag5

    Qual è la storia dei neutrini?..............................................................................................pag6

  • La soluzione del neutrino................................................................................................pag6
  • La scoperta dell' antineutrino..........................................................................................pag8
  • La scoperta del neutrino.................................................................................................pag8

    I neutrini hanno massa?...................................................................................................pag10

    Quanto pesa un neutrino?...............................................................................................pag13

    Come si rivelano i neutrini?.............................................................................................pag14

    Quali sono i principali esperimenti sui neutrini?...............................................................pag15

  • Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS)...............................................................pag15
  • CERN..........................................................................................................................pag15
  • GALLEX e GNO.........................................................................................................pag16
  • BOREXINO................................................................................................................pag16
  • SUPERKAMIOKANDE..............................................................................................pag17
  • CAPRICE....................................................................................................................pag17
  • LVD............................................................................................................................pag17
  • ICARUS......................................................................................................................pag17
  • Telescopi sottomarini...................................................................................................pag17
  • ARGO..........................................................................................................................pag18
  • TPC.............................................................................................................................pag18

    Qual è la funzione dei neutrini nell' Universo?.................................................................pag19

  • "Universo stazionario"..................................................................................................pag19
  • "Universo aperto".........................................................................................................pag19
  • "Universo chiuso".........................................................................................................pag21

    Qual è il rapporto tra materia oscura e neutrini?..............................................................pag22

    Quali applicazioni pratiche possono avere i neutrini?.......................................................pag24

  • Distruzione di missili balistici........................................................................................pag24
  • Chips............................................................................................................................pag24

    Conclusione....................................................................................................................pag25

    Bibliografia.....................................................................................................................pag26







Commenti

1 - laura carpignano   SitoMar 04 Ott 2011 - 19:57:08  

Sono una appassionata di astrofisica e di astrologia.
Ho una conoscenza limitata della fisica quantistica che mi affascina per le risposte che mi dà sulla interpretazione della realtà.
Questo articolo ha colmato molte mie lacune, è chiaro e invita ad affrontare molte altre tematiche.
Grazie!
Laura


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