Autore: Emily Jennings
In tutta la scuola e in qualsiasi lezione di fisica, agli studenti viene detto che nulla viaggia più veloce della velocità della luce. Tuttavia, questa affermazione potrebbe non essere più vera a causa del neutrino, una particella che potrebbe essere in grado di trascendere dimensioni che la luce non può. Il concetto di neutrino è significativo per la nostra comprensione dell’universo perché il neutrino può essere usato per determinare la velocità di espansione dell’universo e il suo destino finale1.
Tutti hanno sentito parlare di elettroni, protoni e neutroni, ma cos’è esattamente un neutrino? Un neutrino è una particella esponenzialmente piccola senza carica elettrica. Per mettere le dimensioni straordinariamente piccole di un neutrino in prospettiva, considera che i neutrini sono considerati un milione di volte più piccoli degli elettroni, che hanno una massa di 9,11 × 10-31 chilogrammi2. I neutrini sono probabilmente le particelle più abbondanti nell’universo e potrebbero essere più comuni dei fotoni, l’unità di base della luce. Poiché i neutrini sono così comuni, si pensa che la loro massa, che rimane sconosciuta, abbia un effetto sulla gravità dell’universo1. I neutrini possono passare attraverso quasi tutto, e lo fanno costantemente. Infatti, circa 400 miliardi di neutrini provenienti dal solo sole passano attraverso ogni persona sulla Terra ogni secondo. Secondo il fisico Frank Close, “Un neutrino può volare attraverso un anno luce di piombo senza colpire nulla “1. I fisici sospettano anche che i neutrini possano muoversi attraverso dimensioni vietate alla luce2.
Se i neutrini sono così piccoli e passano attraverso quasi tutto ciò che conosciamo, così come attraverso dimensioni potenziali a noi sconosciute, come facciamo a sapere che i neutrini esistono? Da dove vengono i neutrini? Queste domande trovano la migliore risposta attraverso una considerazione della storia della scoperta del neutrino. Nel 1930, Wolfgang Pauli (il padre del principio di esclusione di Pauli) propose l’esistenza del neutrino per spiegare la conservazione dell’energia nel decadimento radioattivo beta. Il decadimento radioattivo beta si verifica quando i protoni si trasformano in neutroni, come quando i protoni si fondono vicino al centro del sole. Nel 1930, Pauli ipotizzò che quando i neutroni si formano dalla fusione dei protoni, l’energia extra viene portata via da particelle leggere ed elettricamente neutre. All’epoca, Pauli non credeva che ciò che aveva proposto fosse vero; disse: “Ho fatto una cosa terribile, ho postulato una particella che non può essere rilevata “3.
I neutrini vengono emessi quando i protoni vengono convertiti in neutroni durante il decadimento radioattivo beta6.
Nel 1933, un fisico italiano chiamato Enrico Fermi chiamò la misteriosa particella di Pauli “neutrino” e creò una teoria quantitativa per le interazioni delle particelle deboli che coinvolgono il neutrino. Circa 20 anni dopo, nel 1956, due fisici americani, Frederick Reines e Clyde Cowan, riferirono di aver rilevato dei neutrini usando un reattore a fissione come sorgente di neutrini e un rivelatore a scintillatore ben schermato4. I neutrini erano stati finalmente rilevati, ma restava ancora molto da scoprire su queste minuscole particelle. Il prossimo pezzo dell’annoso puzzle dei neutrini è arrivato da Takaaki Kajita e Arthur McDonald, che l’anno scorso hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica per la loro scoperta delle oscillazioni dei neutrini3.
Una domanda sui neutrini che ha lasciato perplessi gli scienziati è perché la Terra riceve così pochi neutrini. Gli scienziati hanno calcolato il numero teorico di neutrini prodotti dalle reazioni di fusione che alimentano il sole, ma quando è stato misurato il numero di neutrini che la Terra riceve effettivamente, mancavano quasi due terzi della quantità calcolata3. L’idea delle oscillazioni dei neutrini è stata proposta nel 1998 da Kajita al rivelatore di neutrini Super-Kamiokande in Giappone per spiegare la discrepanza nel numero di neutrini misurati sulla Terra.
Nella meccanica quantistica, le particelle mostrano proprietà sia di particelle puntiformi che di onde, e i neutrini non fanno eccezione. Quando tre diversi neutrini (ognuno con una massa diversa) viaggiano nello spazio con onde di diversa frequenza, si pensa che ognuno di essi sia un diverso tipo di neutrino, e quindi ognuno ha un diverso “sapore”. Questi tre diversi sapori sono i tre diversi tipi di neutrini: neutrini muonici, neutrini elettronici e neutrini tau5. I fisici descrivono le onde in termini sia di ampiezza che di fase, e quando più onde si sommano, le loro fasi vengono alterate. Quando le onde che formano un neutrino si sommano, le fasi non si annullano a zero. Poiché il sapore di un neutrino dipende dalla sua fase, il sapore può cambiare nel tempo. Questo fenomeno è chiamato oscillazione del neutrino, la metamorfosi di un neutrino di un sapore in un neutrino di un sapore diverso.
Kajita e McDonald hanno dimostrato che le oscillazioni del neutrino non sono solo teoriche. Kajita, lavorando al rivelatore di neutrini Super-Kamiokande appena fuori Tokyo, in Giappone, ha scoperto che il rivelatore ha catturato alcuni neutrini muonici provenienti dall’atmosfera sovrastante e alcuni dall’altro lato del pianeta dopo che le particelle avevano viaggiato attraverso la Terra. Poiché la Terra non presenta alcun ostacolo considerevole ai neutrini, un numero uguale di neutrini avrebbe dovuto passare attraverso la Terra e direttamente dal sole. Tuttavia, Kajita ha trovato che i neutrini muonici che arrivavano direttamente al Super-Kamiokande erano più numerosi di quelli che passavano prima attraverso il globo. L’unico modo per spiegare questa osservazione è se i neutrini muonici che viaggiano attraverso la terra si sono trasformati in un altro tipo di neutrino, in questo caso il neutrino tau. Al Sudbury Neutrino Observatory in Ontario, Canada, McDonald ha incontrato una stranezza simile. Il laboratorio stava misurando i neutrini elettronici che provengono direttamente dal sole, ma il numero catturato di neutrini elettronici era solo un terzo del numero previsto. Quando i laboratori hanno messo insieme i loro numeri, hanno scoperto che il numero di neutrini calcolato teoricamente aveva in effetti raggiunto la Terra, confermando che i neutrini si trasformano in altri tipi di neutrini. Quindi, le oscillazioni dei neutrini sono reali!
Questa scoperta e questa conclusione hanno portato a un’altra conclusione rivoluzionaria nella fisica delle particelle: il Modello Standard, la teoria su come l’universo è fondamentalmente organizzato e funziona, non è in realtà completamente sviluppato perché richiede che i neutrini siano senza massa3,5. Tuttavia, affinché le oscillazioni dei neutrini siano possibili, i neutrini devono avere massa3! Queste conclusioni hanno posto molte altre domande ai fisici delle particelle. Qual è la massa di un neutrino? Perché i neutrini sono così leggeri? Infine, cosa suggeriscono queste conclusioni sulle dimensioni potenziali a cui si alludeva prima? L’esistenza di un neutrino con massa potrebbe suggerire che quelle altre dimensioni vietate alla luce sono reali e aspettano di essere scoperte. Se si può dimostrare che un neutrino può viaggiare più veloce della velocità della luce prendendo una scorciatoia attraverso una delle dimensioni proibite, allora possiamo estendere la teoria della relatività di Einstein a quelle dimensioni in cui alla luce è vietato entrare. Le implicazioni di una tale applicazione potrebbero alterare radicalmente la nostra comprensione del tempo e dello spazio relativi alla vita come la conosciamo.
- Close, F. Particle physicsavery short introduction,Oxford: Oxford University Press(2004).
- Weiler, T. Neutrinos, Einstein, time and paradox: Tom Weiler at TEDxNashville ,Nashville, TN(2012).
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- Che cos’è un neutrino? Neutrini e oscillazioni di neutrini. Super-Kamiokande Sito ufficiale. Retrieved from http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/sk/neutrino-e.html (2015).
- Chaisson, E. & McMillan, S.Chapter 16: The Sun: La nostra stella madre. In Astronomia Oggi (7° ed.), Addison-Wesley (2010).