I neutrini e l'esperimento OPERA #LegaNerd

In questo articolo cercherò di spiegare cos’è un neutrino e di fare luce sui risultati dell’esperimento OPERA sui neutrini. Prima di discutere del viaggio più veloce della luce dobbiamo fermarci a spiegare cos’è un neutrino e a parlare di un’altra grande scoperta di questo esperimento riguardo la massa del neutrino, che sembra non centrare un cazzo con la sua velocità, ma non è così.

Il neutrino


Agli inizi del ‘900 il decadimento beta (in cui un neutrone si trasforma in un protone più un elettrone o un protone diventa neutrone più antineutrino) causava grandi mal di testa ai fisici, in quanto pareva violare la conservazione dell’energia. Gente del calibro di Pauli (1930) prima e Fermi poi (entrambi Nobel per la Fisica) ipotizzarono l’esistenza di una particella neutra e priva di massa e, quindi, difficile da rilevare come prodotto del decadimento, che possiede l’energia mancante. Questa particella è il famigerato neutrino, la cui esistenza venne dimostrata per la prima volta negli anni ’50 da Reines e Cowan.
Il neutrino fa parte della famiglia dei leptoni, particelle che interagiscono soltanto tramite interazione elettromagnetica (se carichi) e debole, mentre su di loro non agisce l’interazione forte (quella che tiene assieme i quark ed i nuclei atomici); la forza gravitazionale, come per ogni interazione subatomica, si può allegramente trascurare.
Nei leptoni ci sono anche elettroni, muoni e tauoni, che sono abbastanza facili da rilevare in quanto carichi e, quindi, soggetti alla forza elettromagnetica. I neutrini invece non posseggono carica e, quindi, interagiscono soltanto debolmente con la materia, cosa che li rende estremamente sfuggevoli, tanto che siamo ogni giorno bombardati da miliardi di neutrini provenienti dal Sole senza accorgercene.
Gli stessi neutrini si dividono in tre categorie o, meglio, sapori: elettronico, muonico e tauonico; questo perché un neutrino interagendo con la materia produrrebbe un elettrone, un muone o un tauone in base al suo sapore.

Il sapore mancante


La prima osservazione di neutrini provenienti dal Sole si deve a Raymond Davis negli anni ’70, il quale rivelò sì dei neutrini elettronici (il suo apparato poteva solo vederne di quel tipo), ma in maniera inferiore a quanto previsto (ne arrivava solo un terzo!). Successivamente si scoprì che i neutrini mancanti arrivavano sotto forma di muonici e tauonici, che però, teoricamente, il Sole non produce.
Una soluzione proposta fu quella di Pontecorvo, fisico italiano, naturalizzato sovietico, facente parte del famoso gruppo di via Panisperna, che introduceva il concetto di oscillazione dei neutrini, cioè che il sapore di queste particelle oscilli tra uno stato e l’altro.
La conseguenza di questa ipotesi, per motivi legati alla meccanica quantistica relativistica, è che i neutrini devono avere massa, in particolare ogni sapore deve avere una massa differente.
Uno scopo dell’esperimento OPERA era proprio quello di cercare prove di questa oscillazione, prove che sono state trovate (Le Scienze Gennaio 2011), l’altro era misurare la velocità dei neutrini.

L’esperimento OPERA


I neutrini vengono generati accelerando protoni fino a 400 GeV/c nell’anello dell’SPS del CERN, attualmente in servizio anche per l’LHC. Questi protoni vengono incanalati in un tunnel che li porta ad un bersaglio di grafite; dalla collisione vengono generati pioni e kaoni praticamente nella stessa direzione dei protoni, queste sono particelle instabili, che decadono quasi immediatamente in, tra le altre cose, muoni e neutrini muonici. Sia i pioni, che i kaoni, che i neutrini continuano a viaggiare nella stessa direzione dei protoni. I neutrini così prodotti partono per un viaggio di 730 km attraverso un tunnel la crosta terrestre per giungere al rilevatore del Gran Sasso.
La distanza tra sorgente e rilevatore è misurata in maniera così precisa che nei grafici disponibili nella pubblicazione su arXiv si può notare la sua variazione il giorno del terremoto a L’Aquila.

Più veloce della luce!


[EDIT: si è scoperto che i dati seguenti sono dovuti a un errore. I neutrini non viaggiano più veloci della luce.]
Le misure del tempo di percorrenza generano un dato inaspettato: i neutrini, che viaggiano con un’energia di 17 GeV, impiegano meno tempo di una ipotetica particella in viaggio alla velocità della luce per arrivare ai rilevatori. In particolare arrivano circa 60 ns in anticipo, una discrepanza fino a pochi anni fa non rilevabile, che corrispondono a circa 7400 m/s più veloce della luce, che viaggia a circa 300000000 m/s; paragonato alla Formula1, è come se una vettura in rettilineo a Monza viaggiasse più veloce dell’altra di 1 cm/h!

Cosa cambia


È ancora presto per sapere che evoluzione avrà la fisica grazie a questo esperimento. Andranno sicuramente fatte misure indipendenti per confermarne i dati raccolti. In caso affermativo, quasi sicuramente andranno rivisti alcuni principi o teorie.
Di seguito alcune tra le prime ipotesi pubblicate dagli scienziati (le ho prese tutte da arXiv), anche se i “big” non sono ancora scesi in campo:
-Dimensioni extra: questa spiegazione trae origine dalla teoria delle stringhe (che prevede più dimensioni delle canoniche 4 a cui siamo abituati) e dice che il neutrino si muove in regioni dello spaziotempo diverse da quelle della luce, in cui la velocità massima, per motivi legati alle dimensioni extra, è maggiore di c.
-Scorciatoie nello spaziotempo: anche questo modello si rifà alla teoria delle stringhe e dice che, curvando la brana in cui vive il neutrino, esso può prendere scorciatoie per giungere prima. Pubblico questa ipotesi anche se è stata finanziata dalla Templeton Foundation (dei creazionisti, lol).
-Quinta forza: se c’è una cosa che periodicamente scompare e ricompare nella fisica è l’ipotesi di una quinta forza. Non è la prima volta che succede e tutte le altre volte le ipotesi sono state stroncate, questa volta viene ipotizzata una quinta forza di tipo gravitazionale. Tutto può essere, ma sono un po’ scettico al riguardo.
-Materia oscura: altra ipotesi è che l’interazione debole avvenga molto più spesso con la materia oscura ed ipotizzando che essa abbia un indice di rifrazione n minore di 1, tale che la luce viaggi in quel mezzo a velocità maggiori del suo valore nel vuoto ($latex {v=\frac{c}{n}>c}$), in questo modo il neutrino non viaggerebbe più veloce della luce.
-Errore statistico: c’è anche chi è, come è giusto che sia, scettico riguardo ai risultati, il quale dice che è un errore statistico, legato alla meccanica quantistica relativistica, causato dal fatto che solo pochi neutrini rispetto quelli prodotti al CERN vengono rilevati al Gran Sasso.

…e la relatività?


Nella serie di articoli sulla relatività abbiamo visto come esista una velocità limite, che veniva identificata come la velocità della luce. È lecito allora chiedersi se non ci fossimo sbagliati e la velocità limite in realtà sia quella del neutrino. L’idea non è così malsana di primo acchito, ma porterebbe a dei grossi problemi: i fotoni hanno massa a riposo zero, che significherebbe, a velocità diverse da quella limite, nella quale la massa si espande infinitamente, un’energia pari a zero (per via di $latex {E=mc^2}$). Fino a che la velocità limite è quella della luce va tutto bene, perché lo zero e l’infinito si compenserebbero, ma spostandola a quella del neutrino questa compensazione cadrebbe, dando alla luce una energia pari a zero, cosa che evidentemente non ha senso; non solo, ma i neutrini, come visto sopra, hanno massa, quindi incapperebbero, viaggiando alla velocità limite, nell’espansione infinita della stessa, col risultato di avere un’energia infinita.
È chiaro quindi che la velocità limite della relatività deve essere quella della luce, questo non può quindi che portarci a pensare, a meno di effetti di cui non si è tenuto conto, che la teoria sia incompleta. Come per la relatività galileiana, che è un limite alle basse velocità di quella di Einstein, è infatti probabile che anche quest’ultima non sia che una parte di una teoria più grande, magari (speriamo) una teoria del tutto.

Come ho detto è ancora presto per delle certezze, vi terrò comunque aggiornati.

XKCD sui neutrini

APPROFONDIMENTI:
-Pubblicazione su arXiv
-Neutrino
-Leptoni
-Più veloci della luce
-Un neutrino mutante scoperto al Gran Sasso
-Pagina dell’esperimento OPERA (in inglese)
-I neutrini hanno massa
-Esperimento OPERA
-Teoria delle stringhe

[Lezioni di Fisica] è la rubrica di divulgazione scientifica curata da @il-cavaliere-di-berzelius

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