I misteri delle particelle fantasma

I neutrini sono le particelle più leggere, più veloci e più misteriose dell’universo. Ce ne parlano due premi Nobel che hanno dedicato la vita a studiarle.

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I misteri delle particelle fantasma

I neutrini sono le particelle più leggere, più veloci e più misteriose dell’universo. Ce ne parlano due premi Nobel che hanno dedicato la vita a studiarle.

I più grandi misteri dell’universo sono legati alle più piccole particelle della materia. Tra queste, le più sfuggenti e le meno conosciute sono certamente i neutrini. La loro esistenza fu dedotta teoricamente nel 1930 dal fisico austriaco Wolfgang Pauli, uno dei padri della meccanica quantistica, e fu dimostrata in via definitiva nel 1956. Importanti i contributi di Enrico Fermi, Ettore Majorana, Bruno Pontecorvo e Nicola Cabibbo

Tra tutte le particelle, i neutrini sono i campioni della leggerezza: si muovono praticamente alla velocità della luce e hanno una massa non nulla, ma piccolissima. A questa scoperta hanno contribuito in modo determinante due premi Nobel, Takaaki Kajita e Arthur McDonald, rispettivamente con gli esperimenti Super-Kamiokande in Giappone e Sudbury Neutrino Observatory in Canada. Li abbiamo incontrati alla conferenza Neutrino2024 organizzata dall’Università Milano-Bicocca.

Che cosa sono i neutrini?

Per rompere il ghiaccio ed entrare nell’argomento, siamo partiti dalla più semplice delle domande: che cosa sono i neutrini? «Sono particelle prive di carica, che viaggiano quasi senza interagire con la materia», risponde Kajita in modo laconico. Kaijta è un uomo snello e dinamico. Di poche parole, ma preciso nell’esposizione. Potremmo definirlo “zen”. Più elaborata è la risposta di McDonald: «Neutrini, elettroni e quark sono, per quanto ne sappiamo oggi, le particelle più piccole nelle quali potremmo scomporre tutto il resto della materia. I quark, a gruppi di tre, formano protoni o neutroni, a seconda di come li si combina. Protoni e neutroni, che hanno carica elettrica positiva e neutra rispettivamente, si trovano all’interno dei nuclei atomici. Gli elettroni, invece, girano attorno ai nuclei atomici e hanno carica elettrica negativa. I neutrini sono particelle insolite che nascono solo quando un quark si trasforma in un altro quark. Ciò che accade in alcuni casi nelle sostanze radioattive; ma è molto importante soprattutto nelle reazioni nucleari che alimentano il Sole». I neutrini, però, sono difficili da osservare, perché attraversano la materia come fantasmi. «Potrebbero attraversare un anno luce di piombo, con solo il 50% di probabilità di essere fermati. E così passano dal nucleo del Sole, senza ostacoli, e attraversano la Terra fino ai nostri rilevatori», dice McDonald.

Fotomoltiplicatore
Un fotomoltiplicatore per rivelatori di neutrini. In un rivelatore sono presenti molti di questi elementi (Kamioka Observatory, ICRR – Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo).

Scoperta da Nobel

A questo punto, lo scienziato ricorda le ricerche che lo hanno portato al Nobel nel 2015: «Mi sono dedicato allo studio dei neutrini dal 1984. Nel momento in cui abbiamo iniziato il nostro esperimento, erano stati misurati i neutrini del Sole ed erano 3 volte inferiori rispetto ai calcoli. C’erano due possibilità. O i calcoli o l’esperimento erano sbagliati, oppure i neutrini potevano cambiare da uno dei 3 tipi che sappiamo esistere in uno degli altri due tipi. Solo i neutrini elettronici, come li chiamiamo, vengono prodotti nel Sole, e questo è esattamente il tipo che era stato rilevato in passato (le altre due tipologie sono quella dei neutrini muonici e quella dei neutrini tauonici, ndr). Nel nostro esperimento, abbiamo avuto l’opportunità di osservare non solo i neutrini elettronici nello specifico, ma anche tutti e 3 i tipi sommati insieme. E abbiamo potuto stabilire che, in realtà, ciò che limitava gli esperimenti precedenti era il fatto che i neutrini stavano cambiando da un tipo all’altro».

Il mistero della massa

Gli studi di McDonald e Kajita hanno dimostrato, insomma, il fenomeno delle “oscillazioni dei neutrini”, cioè il fatto che queste particelle si trasformano da un tipo all’altro. Le osservazioni, inoltre, mostrano che la massa dei neutrini è molto piccola. «È di molti ordini di grandezza inferiore a quella delle altre particelle», osserva Kajita. «Quindi pensiamo che i neutrini non ottengono la loro massa nello stesso modo delle altre particelle, attraverso il cosiddetto meccanismo di Higgs. Devono farlo in modo completamente diverso».

Takaaki Kajita
Il premio Nobel Takaaki Kajita (Foto courtesy T. Kajita).

Che cosa genera, dunque, la massa dei neutrini? La domanda è ancora senza risposta. Qualche ipotesi, però, si può fare. «Potrebbe essere un meccanismo detto Seesaw (In italiano, “altalena”)», dice Kajita. «In base questa ipotesi, dovrebbe esistere qualche particella simile al neutrino ma estremamente pesante. E poiché queste particelle sono molto pesanti, di conseguenza i neutrini osservati sono molto leggeri». 

C’è poi un’altra questione importante. Le oscillazioni dei neutrini osservate finora consentono, in realtà, di misurare solo le differenze di massa tra i diversi tipi di particelle. «Ci sono attività in corso per determinare direttamente la massa», spiega Kajita, «mediante il decadimento beta degli elettroni. Altre informazioni importanti dovrebbero arrivare dal decadimento beta doppio senza neutrini e dalla cosmologia».

Il mistero dell’antimateria

I neutrini possono essere anche la chiave per spiegare un altro mistero dell’universo: l’assenza dell’antimateria. «Attualmente nel cosmo ci sono solo particelle di materia, nessuna di antimateria», dice Kajita. «Ma non capiamo perché sia così. Subito dopo il Big Bang, quando l’universo era molto caldo, pensiamo che ci fosse un numero uguale di particelle di materia e di antimateria. Poi, quando l’universo si è espanso e si è raffreddato, particelle e antiparticelle si sono incontrate e si sono annichilate, scomparendo. Ma ovviamente sappiamo che non sono scomparse del tutto: sono rimaste alcune particelle di materia. Dobbiamo capire perché ciò sia accaduto. Forse i neutrini hanno giocato un ruolo molto importante in questo meccanismo». Per capirne di più, ci sono due grandi progetti in preparazione, lo statunitense Dune e il giapponese Hyper-Kamiokande. Il loro scopo è osservare le oscillazioni di neutrini e di antineutrini, e vedere se ci sono differenze. «I neutrini sono i migliori candidati conosciuti per comprendere il motivo per cui abbiamo un universo dominato dalla materia», ribadisce McDonald. 

McDonald
Il premio Nobel Arthur McDonald nel Sudbury Neutrino Observatory (SNO), in Canada (Foto Queen’s University, courtesy of A. McDonald).

Madre terra

Cogliamo infine l’occasione per chiedere ai nostri interlocutori che cosa pensino del rapporto tra arte e scienza, e se abbiano avuto esperienze interessanti in proposito. «Una volta abbiamo collaborato con un museo d’arte in Canada e abbiamo sponsorizzato una mostra d’arte (progetto Drift: Art and Dark Matter)», risponde McDonald. «È stato molto interessante per me rendermi conto di come ti vedono gli altri. Tra gli artisti, c’era un’indigena canadese che si è concentrata sul fatto che l’area dove avevamo il nostro laboratorio, una ex miniera, era significativa per il suo popolo, che si connetteva con la natura in un modo molto diverso da noi. Anche loro, come noi, cercavano di capire la natura; ma lo facevano attraverso un contatto molto più diretto con la Madre Terra e con il Sole. Loro sono molto più preoccupati per il loro ambiente di quanto lo siamo noi, e in realtà penso che abbiano ragione». 

FauxBear
Il tentativo di osservare l’invisibile, nell’interpretazione che l’artista Michael Faubert (@fauxbear) ha presentato in occasione di un evento dedicato ad arte, scienza, materia oscura e neutrini, in particolare alle ricerche di Arthur McDonald e dei suoi collaboratori (Foto courtesy Michael Faubert, @fauxbear) .

Neutrini zen

L’intervista sembra ormai chiusa, ma McDonald ha un ultimo guizzo. «Hai mai letto Lo Zen e l’arte della manutenzione della motocicletta?», mi chede. «Robert Pirsig negli anni ’70 scrisse questo libro molto complesso. Ma il nocciolo della questione è che, in realtà, certamente c’è una differenza tra le persone che si avvicinano alle cose da una prospettiva zen e le persone che sono capaci di mettere a punto una motocicletta. Ma se si tratta veramente di un’opera d’arte di valore, o di una motocicletta ben messa a punto, la qualità di entrambe può essere apprezzata da persone con competenze diverse. Questo vale anche per la scienza e per l’arte. Quel che conta è la qualità di ciò a cui si lavora, e certamente da parte mia posso apprezzare la qualità in una buona orchestra, per esempio».

Link e approfondimenti

• La pagina del sito del Premio Nobel dedicata a Takaaki Kajita e Arthur McDonald.
• Il sito di Super-Kamiokande.
• Il sito del Sudbury Neutrino Observatory e del progetto Drift.
• I libro Lo Zen e l’arte della manutenzione della motocicletta (Adelphi). 

Andrea Parlangeli
Andrea Parlangeli
Andrea Parlangeli è fisico (PhD) e giornalista, caporedattore del mensile Focus. Appassionato di scienza, tecnologia e innovazione, nel 2019 ha conseguito un Executive MBA presso il MIP/Politecnico di Milano. Ha scritto diversi libri, tra cui Uno spirito puro. Ennio De Giorgi, genio della matematica (Milella 2015, Springer 2019) e Viaggio all’interno di un buco nero (StreetLib, 2019). È stato curatore di La nascita imperfetta delle cose (Rizzoli 2016) di Guido Tonelli, sulla scoperta del Bosone di Higgs; La musica nascosta dell’universo (Einaudi 2018) di Adalberto Giazotto, sulla scoperta delle onde gravitazionali ; Benvenuti nell'Antropocene (Mondadori, 2005) del premio Nobel Paul Crutzen, padre del termine "antropocene" .

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