Fisica, Nobel per le oscillazioni del neutrino

Ancora particelle elementari. Dopo il bosone di Higgs, arriva il turno, per il premio Nobel per la fisica 2015, dei neutrini. Il riconoscimento, come ha annunciato Göran Hansson, presidente della Royal Swedish Academy of Sciences, è infatti stato assegnato a Takaaki Kajita e Arthur Bruce McDonald, “per la scoperta delle oscillazioni di neutrino, che hanno mostrato che i neutrini hanno massa”. Gli scienziati premiati sono riusciti a risolvere un enigma irrisolto da decenni nel campo della fisica fondamentale, relativo a una discrepanza tra il numero di neutrini misurati sulla Terra e quello previsto dai modelli teorici: in particolare, Kajita e McDonald hanno osservato sperimentalmente che la particella è in grado di cambiare identità – è questo il motivo per cui sulla Terra si osservano circa due terzi di neutrini in meno rispetto alle previsioni – e che, di conseguenza, è dotata di massa.

Per capirci qualcosa di più è necessario fare un piccolo passo indietro. Il neutrino è una particella subatomica di carica elettrica nulla, appartenente alla famiglia dei fermioni (tutte le particelle esistenti in natura sono classificate in due macro-famiglie, fermioni e bosoni, a seconda del valore del loro spin) e al gruppo dei leptoni, di cui fa parte, per esempio, anche l’elettrone. Come già accaduto per il bosone di Higgs, anche nel caso del neutrino la predizione teorica ha preceduto l’osservazione sperimentale: Wolfgang Pauli, nel 1930, ed Enrico Fermi, quattro anni dopo, ne postularono l’esistenza per giustificare le osservazioni sullo spettro del decadimento beta. Vent’anni dopo, il neutrino fu effettivamente avvistato da Clyde Cowan e Fred Reines, nel corso di una serie di esperimenti condotti nel reattore a fissione di Savannah River.

Per continuare l’analogia con il bosone, anche il neutrino è una particella estremamente elusiva e dunque estremamente difficile da osservare, soprattutto perché interagisce molto debolmente con le altre particelle e, di conseguenza, è in grado di attraversare strati densissimi di materia senza lasciare traccia del proprio passaggio. I neutrini che arrivano sulla Terra hanno origine cosmica: si pensa che alcuni di essi risalgano addirittura al Big Bang, mentre altri dovrebbero essere prodotti dalle reazioni di fusione nelle stelle attive o dalle esplosioni di supernova. E qui la storia si fa più complicata: il Modello Standard, la teoria che spiega comportamento e interazioni di tutte le particelle conosciute, prevede infatti che il neutrino non abbia massa e, in base a questo, stima in modo ben preciso quanti neutrini prodotti nel Sole debbano raggiungere la Terra. La stima, però, si è rivelata essere in profondo disaccordo con i dati sperimentali (è il cosiddetto problema dei neutrini solari): per risolvere l’impasse, è stato necessario apportare una modifica al Modello Standard, inserendo la possibilità che il neutrino oscillasse, cioè cambiasse identità (il cosiddetto sapore, come dicono i fisici), nascondendosi così agli apparati di misura. Un’idea proposta, per la prima volta, dal fisico italiano Bruno Pontecorvo, nel 1969, e che implica che i neutrini siano dotati di massa, per quanto piccolissima. In particolare, i neutrini hanno tre identità (e masse) diverse: muonici, elettronici e tauonici. Il problema dei neutrini solari si risolverebbe con l’ipotesi che i neutrini muonici mancanti si possano trasformare, per l’appunto, in neutrini tauonici.

È proprio in questo punto che si inseriscono i lavori di McDonald e Kajita. Il primo, fisico canadese e direttore del Subdury Neutrino Observatory Insitute, è riuscito infatti a mostrare, nel corso un esperimento condotto nel 2001, che i neutrini elettronici provenienti dal Sole oscillano in neutrini muonici e neutrini tauonici. I dettagli della scoperta, che, oltre all’odierno riconoscimento, è valsa a McDonald il conferimento della medaglia Franklin nel 2007, sono stati pubblicati su Physical Review Letters. Kajita, classe 1959, è un fisico dell’Institute for Cosmic Ray Research giapponese, e lavora, in particolare, agli esperimenti Kamiokande e Super-Kamiokande. Si è dedicato allo studio dei neutrini atmosferici, scoprendo nel 1994 un’anomalia analoga a quella osservata per i neutrini solari. Nel 2006 l’équipe di Kajita ha identificato sperimentalmente, per la prima volta al mondo, l’oscillazione dei neutrini atmosferici in neutrini tau. E oggi, nove anni dopo, anche per lui è arrivato il massimo riconoscimento in campo scientifico.

Da sottolineare come anche l’Italia ha dato il suo contributo significativo alla ricerca nel campo dei neutrini: a parte le intuizioni di Fermi e Pontecorvo, l’esperimento Opera, in corso nei laboratori Infn del Gran Sasso, ha osservato infatti a giugno il suo quinto neutrino di sapore tau, confermando così, ancora una volta, la solidità della teoria dell’oscillazione dei neutrini.

Via: Wired.it