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Neutrino, 90 years after

F. Ferroni

Il neutrino 90 anni dopo

1 Il neutrino: passato, presente e plausibile futuro

Nel momento della Grande Rivoluzione della Fisica occorsa tra la fine dell’Ottocento e gli anni Trenta del Novecento tutte le certezze mutuate dalla Meccanica Newtoniana e dall’Elettromagnetismo di Maxwell vengono spazzate via. Non è quindi strano, anche se per noi oggi sarebbe inconcepibile, che si potesse arrivare a pensare, e addirittura da Niels Bohr, che la conservazione dell’energia nel decadimento beta venisse violata.

Quello che si osservava era il decadimento di un neutrone, che si trasforma in un protone con l’emissione di un elettrone (n → p + e-). La carica si conserva ma lo spettro di energia dell’elettrone è continuo tra un valore minimo e un massimo. Un decadimento a due corpi di un neutrone a riposo non può che produrre un solo valore per l’energia dell’elettrone. Wolfgang Pauli, geniale fisico teorico diversamente comunicativo, nel 1931 scrive una lettera ai colleghi riuniti a congresso per scusarsi con loro poiché a causa di un impegno mondano non sarebbe stato presente ma al contempo spiegava che la soluzione dell’enigma del decadimento beta risiedeva nella emissione di una terza particella, neutra e assai elusiva (vedi fig. 1). Tanto da fargli dire che la conferma della sua ipotesi sarebbe stata impossibile e quindi di scommetterci un cartone di champagne. Sottostimava di molto le capacità e la tenacia dei suoi colleghi sperimentali.

Tra il dicembre del 1933 e il gennaio del 1934 Fermi pubblica la sua teoria delle interazioni deboli nella quale la misteriosa particella trova la sua collocazione e il suo battesimo col nome di neutrino. Viene spesso raccontato che il lavoro su quella teoria che ha resistito per svariate decine di anni ed è stata poi inglobata dal Modello Standard delle Interazioni Elettrodeboli fu rifiutato da Nature in quanto troppo astratto!

C’è un aspetto del neutrino che rimane oscuro ancora oggi. Nel 1928, Paul Dirac aveva formulato la sua famosissima equazione che correttamente interpretata predice l’esistenza delle antiparticelle. Nel 1932 infatti viene scoperto da Carl Anderson il positrone. La domanda quindi è se c’è un antineutrino. Però nel 1937 Ettore Majorana scrive un (tra i pochissimi che scrisse) articolo descrivendo una classe di fermioni (le particelle di spin semi-intero descritte dalla statistica di Fermi-Dirac tra le quali il neutrino) che potevano essere le antiparticelle di se stesse. Facendo un salto di 80 anni osserviamo che questa ipotesi è ancora sotto esame da parte di esperimenti difficilissimi sui quali torneremo più avanti. Ma quanto è difficile studiare questo neutrino!

Torniamo alla predizione di Pauli. Come si fa osservare questa particella?

L’osservazione avviene nel 1956 (e Pauli onora la scommessa). Cowan e Reines realizzano un complesso esperimento al reattore nucleare di Savannah River e riescono a misurare gli antineutrini prodotti dalle reazioni nucleari di fissione (ben 3 eventi ogni ora di presa dati). Come controllo fecero spegnere il reattore e ovviamente in quelle condizioni non misurarono nulla. Premio Nobel dovuto.

Ma il neutrino non smette di sorprenderci, grandi scoperte ci attendono.

Qui entra in gioco un protagonista assoluto della fisica dei neutrini. Bruno Pontecorvo, il più giovane allievo di Fermi nel gruppo di Via Panisperna, il fisico che fece la controversa scelta di emigrare in Unione Sovietica alla fine della Seconda Guerra Mondiale.

Nel 1946, quando ancora era in Canada, spiega come si sarebbero potuti osservare i neutrini emessi dalle reazioni di fusione nucleare che fanno brillare il Sole.

Ray Davis ci crede e realizza un esperimento nella miniera di Homestake (South Dakota) con una immensa tanica riempita con 400000 litri di percloroetilene dove i neutrini solari avrebbero (raramente) urtato un nucleo di Cloro e lo avrebbero trasformato in Argon. Beh, ci riesce. I primi risultati sono del 1968, poi ne seguono altri sempre più precisi. Presi alla lettera dicono chiaramente che il Sole è spento! Cioè il meccanismo che lo fa funzionare (calcolo accurato fatto da John Bahcall) deve produrre molti più neutrini (almeno tre volte) e quindi come in tutte le grandi crisi della fisica si dubita sia della teoria che, anche di più, dell’esperimento. È una bella e lunga storia, a Davis il premio Nobel e per la fisica si apre la strada che porterà alla scoperta delle oscillazioni del neutrino.

Nel frattempo però Pontecorvo colpisce ancora. Nel 1957 pubblica un articolo in cui dice chiaramente che ci devono essere due tipi di neutrini (quello elettronico e quello muonico) e indica come si sarebbe potuto fare l’esperimento. Ma non si poteva fare in URSS! Infatti lo fecero Lederman, Schwarz e Steinberger ai laboratori americani di Brookhaven nel 1962 e si guadagnarono il Nobel.

Intanto sta nascendo il Modello Standard delle Interazioni Elettrodeboli con tutte le particelle veramente elementari messe nelle loro caselline (vedi fig. 2).

Anche i neutrini ne fanno parte e i due tipi all’epoca scoperti sono i compagni di elettrone e muone. Solo che sono rigorosamente classificati come senza massa. Il perché non deriva da una teoria, al contrario del fotone, che essendo il messaggero dell’interazione elettromagnetica che ha raggio d’azione infinito è costretto a esserlo, ma dal fatto che nessun esperimento è riuscito a metterne in evidenza una seppur minuscola.

Ed è di nuovo Pontecorvo che riappare. 1967, esperimenti di neutrino e il problema della conservazione del numero leptonico. Un lavoro straordinario.

Sostanzialmente Pontecorvo osserva che se non ci fosse la conservazione del numero leptonico un muone potrebbe decadere in un elettrone e un fotone oltre che nel suo modo normale in cui un elettrone è accompagnato dal suo antineutrino e da un neutrino muonico che stanno appunto lì per conservare la carica leptonica. E immagina che un neutrino in realtà potrebbe avere massa e dunque a lui sarebbe permesso oscillare avanti e indietro con il suo antineutrino o anche diventare elettronico e muonico in modo ciclico. E parla anche di violazione di CP e momento magnetico del neutrino, temi che sono di attualità oggi. Intuizione come detto straordinaria ma all’epoca sostanzialmente ignorata. Con una buona motivazione, particelle senza massa non possono trasformarsi l’una nell’altra, meccanica quantistica docet.

Il problema del Sole comunque è al centro di una fervente attività sperimentale. Dopo tutto sapere che non si sta per spegnere non è mica cosa irrilevante. Ai Laboratori del Gran Sasso dell’INFN si realizza GALLEX e poi GNO, si ripete l’esperimento di Davis. Questa volta il Gallio assorbe il neutrino e si trasforma in Germanio. È sensibile a neutrini di energia molto bassa e conferma che qualcosa non va. L’idea delle oscillazioni prende sostanza ma manca quello che in inglese si chiama smoking gun.

La prova provata viene da un esperimento fatto per misurare tutt’altro. Anzi meglio, un esperimento per cui i neutrini costituivano un fondo rispetto al processo che si sarebbe voluto misurare e per cui quindi il loro spettro e comportamento doveva esser conosciuto molto bene.

L’esperimento è Kamiokande (e poi Super-Kamiokande) ed è un esempio meraviglioso del concetto di serendipity.

Si voleva misurare l’eventuale decadimento del protone, molto invocato dalle teorie di grande unificazione negli anni ottanta. Certo un decadimento che deve essere ben raro se noi, fatti di protoni, siamo ancora qui a raccontare la storia. Quindi serve un esperimento con un fondo molto basso e molto ben conosciuto.

Kamiokande (e poi il suo ben più grande successore Super-K) consiste di una piscina di acqua posta in una ex-miniera e quindi ben schermata dai raggi cosmici. L’idea è di osservare i lampi di luce Cherenkov prodotti dal decadimento del protone ad esempio in un positrone e in un pione neutro (p → e+π0). Inutile dire che questo decadimento lo stiamo ancora cercando e per la verità l’interesse per questa ricerca si è anche un poco affievolito visto che siamo arrivati a limiti superiori a 1036 anni (tanto per rabbrividire un po’ la vita dell’universo è di solo circa 1010 anni).

Torniamo alle oscillazioni. Il fondo per il decadimento del protone sono quindi gli eventi indotti dai neutrini prodotti nell’atmosfera della Terra dalle interazioni dei raggi cosmici. La caratterizzazione di questi neutrini è semplice. Gli sciami prodotti dalle interazioni primarie e secondarie sono costituiti da pioni che decadono rapidamente in muoni (con un neutrino muonico) che poi decadono a loro volta in elettroni (con accompagnamento di un neutrino muonico e uno elettronico). Quindi, senza conti complicati, ci saranno due neutrini muonici per ogni neutrino elettronico. E le interazioni di un neutrino muonico si distinguono bene nel rivelatore da quelle di neutrino elettronico. E si vide chiaramente che il rapporto era non la costante due aspettata ma una funzione del rapporto tra la quantità di atmosfera attraversata prima di arrivare al rivelatore e l’energia posseduta dal neutrino.

A questo punto si mette tutto in un frullatore dove si aggiunge al cocktail la quantità tabù (la differenza di massa al quadrato tra due neutrini) e si ottiene che la predizione riproduce la osservazione e quindi, gaudio magno, si annuncia la scoperta che i neutrini una massa la hanno e oscillano anche. Ovvio premio Nobel, anzi due, a chi ha pensato Kamiokande (Koshiba) e al capo del gruppo che ha ottenuto il risultato (Kajita). Il rivelatore è stato poi oggetto di un ulteriore esperimento in cui un fascio di neutrini veniva inviato dall’acceleratore a J-PARC e il risultato ha ulteriormente contribuito a misurare i parametri che governano le oscillazioni.

En passant, Kamiokande che come detto era nato per rivelare il decadimento del protone, fu poi migliorato per partecipare anche lui alla misura dei neutrini del Sole contribuendo in modo sostanziale, visto che a differenza dei precedenti esperimenti basati sulla radiochimica questo misurava in real-time e ne misurava la frazione a più alta energia, quella prodotta dal Boro. Non solo, il rivelatore appena rimesso in funzione dopo il miglioramento rivelò anche un impulso dovuto ai neutrini emessi dal collasso della Supernova SN1987A. Certamente la fortuna aiuta gli audaci.

Abbiamo saltato un passaggio nell’entusiasmo della grande scoperta. Nel frattempo, a Stanford era stato scoperto un terzo leptone battezzato tau, la copia pesantissima dell’elettrone laddove il muone ne era la copia pesante. Ça va sans dire che esso si era fatto accompagnare da un neutrino (tauonico) che infatti fu osservato nel 2000 a Fermilab dall’esperimento DONUT.

Tre neutrini fanno la storia più complicata e interessante ma non ne cambiano la sostanza. Le oscillazioni rimangono e le masse pure.

Le trasformazioni di un neutrino in un altro sono state misurate in modo statistico oramai in tanti esperimenti ma vale la pena ricordarne uno di casa nostra. L’esperimento OPERA posto nei laboratori del Gran Sasso ha ricevuto un fascio di neutrini muonici generati da un acceleratore del CERN di Ginevra. Questo fascio passando pressoché indisturbato attraverso la crosta terrestre (e sotto la verticale di Firenze) è riemerso appunto nel tunnel del Gran Sasso e ha permesso a OPERA, che è un rivelatore basato su raffinatissime lastre fotografiche, di visualizzare nel senso più proprio del termine alcuni neutrini di tipo tauonico attraverso le loro interazioni.

Il sigillo viene apposto da SNO, un esperimento in varie fasi fatto al laboratorio canadese di Subdury. Questo esperimento è sensibile alle interazioni di tutti e tre i tipi di neutrini e quindi, attraverso il processo di diffusione da corrente neutra, ne misura il flusso totale.

Il Sole merita ancora un commento. Gli esperimenti fin qui citati hanno misurato o un integrale del flusso prodotto a partire da una soglia di rivelazione (quelli radiochimici) o il solo processo più energetico (quello del Boro). Mancava un esperimento che misurasse individualmente tutti i processi descritti dal modello solare e che confermasse quindi la sua piena validità. Questo esperimento è stato Borexino fatto ai laboratori del Gran Sasso. Ha misurato tutti i processi di fusione che avvengono nel Sole con la sola eccezione del ciclo CNO che è ancora in fase di studio. Misurando separatamente i diversi processi e utilizzando la dipendenza da L/E delle oscillazioni e tenendo conto del fatto che il Sole è denso abbastanza per complicare i processi con le oscillazioni nella materia, l’esperimento ha prodotto un risultato bellissimo che dà ragione del funzionamento del Sole in dettaglio e al contempo fa vedere come la teoria delle oscillazioni nel vuoto e nella materia sia in grado di spiegare l’osservazione (vedi fig. 3).

Abbiamo dunque la conferma che il Sole è perfettamente descritto dal modello di Bahcall e che quindi possiamo stare tranquilli ancora per qualche miliardo di anni.

Per chi volesse approfondire e sapere tutto sulle oscillazioni suggerisco il capitolo 14 del PDG 2017.

Quanta strada dal tempo che Pauli ci minacciava di rimanere con l’enigma di una particella che non saremmo stati in grado di osservare.

Ma quante domande ancora ci pone questa particella che dopo 90 anni è sempre al centro delle ricerche più avanzate?

Vediamole:
• Quanto è la massa del neutrino?
• Come sono ordinati in massa i tre neutrini?
• Il neutrino è una particella di Dirac o di Majorana?
• Esistono altri tipi di neutrini (detti sterili)?
• I neutrini violano CP?
• I neutrini come uno dei messaggeri dell’Universo violento?
• Possiamo misurare i neutrini del fondo cosmico e fare una foto dell’Universo 1 secondo dopo il Big Bang?

Grazie alla conoscenza dei parametri che determinano le oscillazioni sappiamo le differenze di massa al quadrato (Δm2) tra ciascuna coppia di neutrini. Questo però non determina la massa assoluta di ognuno di loro.

Ci sono tre modi possibili per arrivare a questa conoscenza.

1. Misurare direttamente il valore attraverso l’end point del decadimento beta del trizio (3H).
2. Arrivarci con qualche complicazione via la misura del decadimento doppio beta senza neutrini.
3. Derivare la somma delle masse dei tre neutrini dallo studio della radiazione cosmica a microonde.

Nessuno di questi metodi è semplice, il primo richiede una misura di precisione straordinaria, il secondo si basa su un processo mai osservato che richiede al neutrino di essere una particella di Majorana e il terzo soffre di incertezze sistematiche sul modello utilizzato per estrarre il dato.

Come detto, ci sono due differenze di massa al quadrato indipendenti, rispettivamente derivate dalle oscillazioni dei neutrini atmosferici e da quelli solari. Una (gli atmosferici) è molto più grande dell’altra e l’altra ha un ordinamento dato dal fatto che l’oscillazione avviene col contributo della densa materia solare che permette di sciogliere l’ambiguità data dal quadrato. Questo porta a due possibili soluzioni per quella che viene detta gerarchia di massa, come mostrato nella fig. 4.

Quindi la coppia (1,2) è ordinata ma il neutrino (3) può stare sopra o sotto. Inoltre nulla sappiamo sul valore assoluto della massa più piccola.

Ci sono vari esperimenti che si stanno preparando per arrivare a sciogliere questa ambiguità. Il più promettente è JUNO, un enorme (20000 tonnellate) sfera di scintillatore liquido che attraverso la misura dei neutrini emessi da un set di reattori nucleari cinesi non troppo lontani da Hong Kong potrebbe fornire questa informazione. L’esperimento è basato sul successo di Daya Bay che per primo ha misurato con precisione l’angolo di mescolamento tra la coppia (1,3) dei neutrini.

La sfida, illustrata nella fig. 5 è di distinguere tra la curva blu e quella rossa.

L’ordinamento di massa dei neutrini ha una conseguenza importante anche per gli esperimenti che cercano il decadimento doppio beta senza neutrini per risolvere il dilemma se il neutrino sia una particella di Majorana o di Dirac.

Il decadimento doppio beta è un fenomeno al secondo ordine delle interazioni deboli. Richiede sostanzialmente che due neutroni all’interno del nucleo decadano vicini e simultaneamente (diciamo compatibilmente col principio di indeterminazione di Heisenberg). Lo fanno solo in alcuni isotopi di pochi nuclei, quelli per cui un normale decadimento beta singolo è vietato per ragioni di conservazione dell’energia. È stato misurato in diversi casi con tempi di dimezzamento superiori a 1016 anni. Quello senza emissione di neutrini sarebbe però assai più raro nel caso esistesse. Il neutrino dovrebbe essere di Majorana, quindi l’antiparticella di se stesso. In questo caso il diagramma di Feynman del decadimento mostra che l’antineutrino emesso in un decadimento potrebbe essere riassorbito dall’altro lasciando nello stato finale solo i due elettroni. Facile a dire, difficile a fare. La probabilità dipende in modo complicato dalle masse dei neutrini ma anche con stime ottimistiche ci si aspettano tempi di dimezzamento superiori a 1026 anni. È vero che il numero di Avogadro è grande ma per arrivare a quel limite servono esperimenti alla scala di tonnellate e estremamente radiopuri visto che le energie in gioco (il Q-value della reazione) sono di pochi MeV e quindi si deve combattere contro la radioattività naturale. Ci sono diversi esperimenti che sono serviti principalmente come dimostratori di possibili evoluzioni a grande scala. Le tecniche più promettenti sono basate su calorimetri di Germanio, su calorimetri di xenon liquido e su rivelatori bolometrici basati su cristalli scintillanti o non. I migliori limiti appartengono oggi a KAMLAND-ZEN e GERDA e hanno appunto toccato i 1026 anni. Sapendo però che ogni miglioramento va con la radice quadrata dei parametri cruciali (massa, tempo di misura, risoluzione di energia, quantità di fondo) di pazienza si dovrà fare virtù.

Gli acceleratori hanno contribuito a delineare il quadro delle oscillazioni del neutrino ma ora diventano essenziali per almeno due problemi ancora aperti, l’eventuale esistenza di neutrini sterili e la misura della violazione di CP nella matrice di mescolamento dei neutrini.

Un lavoro della collaborazione LSND mostrò nel 2001 evidenza per una oscillazione incompatibile con le due differenze di massa al quadrato che separano i tre neutrini normali. Questa sarebbe l’evidenza di un quarto neutrino diverso dai precedenti. Diverso perché a differenza dei tre conosciuti non sarebbe visibile nel decadimento del bosone vettore Z, mediatore delle interazioni deboli. Nonostante tanti esperimenti siano stati fatti in seguito, nessuno era specifico a dimostrare in un senso o nell’altro la validità di questo risultato che sarebbe un segno inequivocabile di una Nuova Fisica estranea al Modello Standard. Ora grazie alla potenza tecnologica (vedi fig. 6) dimostrata dal rivelatore ICARUS nella sua lunga presa dati al Gran Sasso esposto al fascio di neutrini proveniente dal CERN, si sta per effettuare l’esperimento chiave. ICARUS è stato spostato al Fermilab dove in collaborazione con altri due rivelatori sarà in grado di chiarire la situazione.

Fermilab sta preparando, attraverso un miglioramento dei suoi acceleratori, in una grande collaborazione internazionale (DUNE), un esperimento per determinare il valore della violazione di CP nella matrice di mescolamento dei neutrini. Un fascio di neutrini prodotto da un nuovo acceleratore (PIP-II) verrà prima misurato da un rivelatore vicino e poi da un gigantesco complesso di camere a proiezione temporale che conterranno 60000 tonnellate di Argon liquido (basate sul principio di funzionamento di ICARUS che però di tonnellate ne contiene solo (!) 600) collocate all’interno della miniera (distante 1300 km, vedi fig. 7) che a suo tempo ospitò l’esperimento di Davis che per primo mise in evidenza una anomalia nei neutrini solari.

Un esperimento concorrente, evoluzione della famiglia Kamiokande e battezzato Hyper-K, si sta progettando in Giappone.

Si è molto parlato negli ultimi tempi di astronomia multimessenger, una manifestazione dell’Universo violento che viene registrata dai nostri strumenti in più di uno dei canali possibili (raggi cosmici carichi, fotoni che vanno dalle onde radio ai raggi gamma, onde gravitazionali, neutrini). Questo ci aiuterebbe a capire dinamiche oggi solo ipotizzate. La nascita di questa astronomia ha una data precisa, il 17 Agosto 2017, quando i rivelatori di onde gravitazionali LIGO e VIRGO hanno segnalato un’onda gravitazionale dovuta alla coalescenza di due stelle di neutroni e grazie alla triangolazione dovuta alla presenza di tre interferometri hanno potuto indicare la direzione in cui guardare con gli altri strumenti esistenti (telescopi a terra e satelliti). E questo ha permesso di far fare un cruciale passo in avanti sulla comprensione delle stelle di neutroni. Neutrini non ne sono stati osservati ma ci sono rivelatori che sono pronti a fare il loro dovere quando la Natura li voglia coinvolgere. Al Polo Sud c’è IceCube che ha già misurato un buon numero di neutrini di enorme energia e sta cercando di capire come correlarli a possibili sorgenti mentre sta entrando in funzione nel Mediterraneo, al largo di Capo Passero in Sicilia, KM3NeT che utilizza delle stringhe di fotomoltiplicatori (vedi fig. 8) ancorate a 3500 metri di profondità e sarà complementare a quello nell’Antartide.

Siamo alla ricerca della macchina del tempo, l’unica che ci sia permessa, quella che ci consente di risalire a tempi sempre più vicini a quello del misterioso Big Bang. Abbiamo il grande acceleratore LHC che ci fa risalire a frazioni di miliardesimo di secondo dopo l’evento ma è in grado solamente di produrre le particelle che allora popolavano quel piccolo Universo e non di darci una foto di insieme. Abbiamo poi la radiazione di fondo che ci restituisce una meravigliosa foto però di un Universo ormai vecchio di 300000 anni. Le onde gravitazionali sono uno strumento giovane di osservazione, promettono molto ma per ora e per un po’ saranno limitate all’osservazione di eventi che coinvolgono buchi neri e stelle di neutroni e quindi a oggetti formatisi anche essi dopo svariate centinaia di migliaia di anni... a meno che non ci sia dietro l’angolo la sorpresa dell’esistenza di buchi neri primordiali. Certo in un giorno lontano saranno in grado di rilevare le onde prodotte dall’inflazione, una musica certamente celestiale. E quindi? In linea di principio i neutrini così come la luce vengono da lontano. La luce da 300000 anni dopo il Big Bang ma i neutrini da dopo un solo secondo. Una opportunità fantastica per un esperimento di una difficoltà strabiliante basato sul decadimento beta inverso del trizio. Il primo mattone della sfida è un progetto che si chiama PTOLEMY al quale dobbiamo augurare il massimo della fortuna.

Conclusione

Il neutrino è protagonista da novanta anni della fisica delle particelle. È stata una continua fonte di sorprese con le sue tre repliche e col fatto di avere una massa, al contrario di quanto scolpito nel Modello Standard, e quindi la capacità di mescolarsi e trasformarsi lungo il suo cammino. Ai suoi studiosi ha fornito fama, gloria e non pochi premi Nobel. Uno che lo avrebbe meritato fu colpevolmente dimenticato, Bruno Pontecorvo. Dopo novanta anni di studio questa singolare particella ci presenta una serie di domande maggiore di quante ce ne potessimo immaginare in ogni momento precedente della sua storia. Un buon motivo per incoraggiare gli ambiziosi giovani ricercatori di oggi a dedicarsi a questa fisica.

Ringraziamenti

Voglio ringraziare la SIF e la sua Presidente Prof. Luisa Cifarelli per avermi dato l’opportunità di riflettere su questa interessantissima storia che promette di essere un campo privilegiato di ricerca nella fisica delle particelle per lunghissimi anni ancora dopo questi primi affascinanti novanta.