Il nobel per la Fisica dell’anno 2015 è stato assegnato a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald per il fenomeno di oscillazione del neutrino. Si tratta di uno degli ambiti della fisica in cui forse più di tutti fisica teorica e sperimentale collaborano a stretto contatto, per costruire insieme una teoria più accurata possibile, che vada a superare le conoscenze del solidissimo Modello Standard.
Il neutrino
Prima di capire che cosa voglia dire oscillazione del neutrino è necessario capire che cosa sia il neutrino e come mai sia stato necessario inserire una particella così strana per descrivere la realtà.
Nel secondo decennio del ‘900 si stavano muovendo i primi passi nella fisica delle particelle. Uno dei fenomeni osservati fu chiamato decadimento β. Esso coinvolge le seguenti particelle:
p → n + e+ + νe
p e n rappresentano i ben noti protone e neutrone, e+ il positrone, ma è sull’ultima componente che ci andremo a concentrare.
Gli esperimenti permisero di verificare l’esistenza di questo decadimento, ma senza la conoscenza dell’esistenza del neutrino il processo sembrava non conservare l’energia, che risultava minore nei reagenti. La teorizzazione del neutrino fu quindi necessaria per non dover rinunciare al principio di conservazione dell’energia.
Fu quindi Pauli nel 1930 a postulare l’esistenza di una particella elettricamente neutra. Inizialmente il nome proposto fu quello di neutrone, ma la scoperta nel 1932 di un’altra particella neutra di massa simile al protone fece cambiare il nome di questa particella in neutrino. La sua natura di particella elettricamente neutra la rende particolarmente difficile da osservare, in quanto capace di interagire solamente con quella che viene chiamata interazione debole.
L’osservatorio per neutrini Super-Kamiokande in Giappone contiene 50.000 tonnellate di acqua che vengono osservate da oltre 10 mila fotomoltiplicatori. (via focus.it)
Il sapore dei neutrini
Il neutrino che prende parte al decadimento beta non risulta però essere l’unico tipo di neutrino presente in natura. Se infatti riguardiamo il processo di prima noteremo che il neutrino (νe) presente nella formula possiede una e come pedice.
Questa lettera sta a indicare che il neutrino presente in questo fenomeno è un neutrino elettronico. Questo suggerisce che in qualche modo questa particella possa essere imparentata con l’elettrone. È possibile che esistano altri tipi di neutrini, imparentati con altri tipi di particelle. Tutto ciò però all’epoca non era noto. Il neutrino era stato introdotto per questioni energetiche e non c’era nessun sospetto che potessero esisterne altri.
È possibile che esistano altri tipi di neutrini, imparentati con altri tipi di particelle.
Nel 1962 però l’esistenza di un nuovo tipo di neutrino (il neutrino muonico) viene dimostrata.
È necessaria a giustificare altre categorie di decadimenti di particelle più complesse di quelle coinvolte nel decadimento β. In questo caso si tratta di un neutrino imparentato con una particella chiamata muone. Solamente nel 2001 viene infine verificata sperimentalmente la presenza di un ulteriore tipo di neutrino, alzando quindi a 3 il numero di neutrini (ovviamente con relative antiparticelle).
Si hanno quindi 3 famiglie composte da un leptone e il relativo neutrino. L’appartenenza di un neutrino a una data famiglia viene definita sapore del neutrino. Ad oggi grazie a misure effettuate a LEP e affinate successivamente sappiamo che il numero di tipi di neutrini presenti in natura è:
Nν = 2.9841 ± 0.0083
È quindi ragionevole non aspettarci scoperte di altri tipi di neutrini negli anni a venire.
La massa dei neutrini e l’oscillazione
Quando furono teorizzati i neutrini non fu posta nessuna predizione sulla possibilità che il neutrino non avesse massa. Lo stesso Pauli suggerì che il neutrino dovesse avere una massa simile o minore di quella dell’elettrone.
Fu con le misure di violazione di parità del neutrino (che non spiegheremo in questo articolo) che molti fisici si convinsero della possibilità che il neutrino fosse privo di massa. Il neutrino fu quindi inserito nel Modello Standard privo di massa.
Il neutrino fu inserito nel Modello Standard privo di massa.
Continuavano però a non esserci motivazioni perché il neutrino non potesse avere massa. Furono studiati allora alcuni diversi modi per rendere possibile una sua massa. In particolare Bruno Pontecorvo osservò che uno di questi metodi, i neutrini di Majorana, permetteva ai neutrini di cambiare sapore con il passare del tempo.
Secondo questo modello infatti i neutrini che noi osserviamo nei vari fenomeni altro non sono che la sovrapposizione (cioè la somma) di neutrini massivi, chiamati solitamente ν1, ν2, ν3.
Presi singolarmente questi neutrini non possono variare in uno di un’altra natura. Ma dato che i neutrini che osserviamo sono una sovrapposizione di questi, le regole della meccanica quantistica permettono che il contributo che danno al neutrino osservato cambi nel tempo. Questo permette il cambio di sapore teorizzato da Pontecorvo.
Conclusioni
L’importanza di questa scoperta è importantissima per il campo della fisica fondamentale. Oltre a ciò i lavori di ricerca in questo ambito hanno messo a stretto contatto la fisica particellare effettuata in laboratorio (come a LEP o al Gran Sasso) con l’astrofisica, la quale ha sfruttato per esempio il Sole come acceleratore naturale, permettendo di studiare scale di energia impossibili per i laboratori attuali.
La massa dei neutrini è la prima forte conferma di fisica oltre il Modello Standard.
La massa dei neutrini è la prima forte conferma di fisica oltre il Modello Standard.
Per quanto il Modello Standard sia una teoria solida e ben verificata, questa prima forte discrepanza permetterà di ipotizzare nuovi esperimenti e nuove teorie per inserire questa nuova scoperta in una teoria ancora più solida e generale.
- LEP number of light neutrinos types (pdg.lbl.gov)
- Neutrino oscillation (wikipedia.org)
- Bruno Pontecorvo (wikipedia.org)
- Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2015 (nobelprize.org)
- Immagine di testa di Aspera-eu
