I neutrini sono particelle subatomiche elusive create in una grande varietà di processi nucleari. Il loro nome, che significa “piccolo neutro”, si riferisce al fatto che non portano carica elettrica. Delle quattro forze fondamentali dell’universo, i neutrini interagiscono solo con due – la gravità e la forza debole, che è responsabile del decadimento radioattivo degli atomi. Non avendo quasi massa, attraversano il cosmo quasi alla velocità della luce.
Innumerevoli neutrini sono venuti all’esistenza frazioni di secondo dopo il Big Bang. E nuovi neutrini vengono creati in continuazione: nel cuore nucleare delle stelle, negli acceleratori di particelle e nei reattori atomici sulla Terra, durante il collasso esplosivo delle supernove e quando gli elementi radioattivi decadono. Questo significa che ci sono, in media, 1 miliardo di volte più neutrini che protoni nell’universo, secondo il fisico Karsten Heeger della Yale University di New Haven, Connecticut. I neutrini attraversano la maggior parte della materia come se fossero raggi di luce che passano attraverso una finestra trasparente, interagendo a malapena con tutto ciò che esiste. Circa 100 miliardi di neutrini stanno passando attraverso ogni centimetro quadrato del tuo corpo in questo momento, anche se non sentirai nulla.
Alla scoperta delle particelle invisibili
I neutrini furono inizialmente proposti come la risposta a un enigma scientifico. Alla fine del XIX secolo, i ricercatori erano perplessi su un fenomeno noto come decadimento beta, in cui il nucleo di un atomo emette spontaneamente un elettrone. Il decadimento beta sembrava violare due leggi fisiche fondamentali: la conservazione dell’energia e la conservazione della quantità di moto. Nel decadimento beta, la configurazione finale delle particelle sembrava avere un po’ troppo poca energia, e il protone stava fermo invece di essere sbattuto nella direzione opposta dell’elettrone. Fu solo nel 1930 che il fisico Wolfgang Pauli propose l’idea che una particella extra potesse volare fuori dal nucleo, portando con sé l’energia e la quantità di moto mancanti.
“Ho fatto una cosa terribile. Ho postulato una particella che non può essere rilevata”, disse Pauli a un amico, riferendosi al fatto che il neutrino da lui ipotizzato era così fantasma che avrebbe interagito a malapena con qualsiasi cosa e avrebbe avuto una massa minima o nulla.
Più di un quarto di secolo dopo, i fisici Clyde Cowan e Frederick Reines costruirono un rivelatore di neutrini e lo collocarono fuori dal reattore nucleare della centrale atomica di Savannah River nella Carolina del Sud. Il loro esperimento riuscì a catturare alcune delle centinaia di trilioni di neutrini che volavano dal reattore, e Cowan e Reines inviarono con orgoglio un telegramma a Pauli per informarlo della loro conferma. Reines avrebbe vinto il premio Nobel per la fisica nel 1995, quando Cowan era già morto.
Ma da allora i neutrini hanno continuamente sfidato le aspettative degli scienziati.
Il sole produce un numero colossale di neutrini che bombardano la Terra. A metà del 20° secolo, i ricercatori costruirono dei rilevatori per cercare questi neutrini, ma i loro esperimenti continuavano a mostrare una discrepanza, rilevando solo circa un terzo dei neutrini che erano stati previsti. O c’era qualcosa di sbagliato nei modelli astronomici del sole, o stava succedendo qualcosa di strano.
I fisici alla fine si sono resi conto che i neutrini sono probabilmente disponibili in tre diversi sapori, o tipi. Il neutrino ordinario è chiamato neutrino elettronico, ma esistono anche altri due tipi: un neutrino muonico e un neutrino tau. Mentre passano attraverso la distanza tra il sole e il nostro pianeta, i neutrini oscillano tra questi tre tipi, ed è per questo che i primi esperimenti – che erano stati progettati per cercare un solo sapore – continuavano a mancare due terzi del loro numero totale.
Ma solo le particelle che hanno massa possono subire questa oscillazione, contraddicendo le idee precedenti che i neutrini fossero senza massa. Mentre gli scienziati non conoscono ancora le masse esatte di tutti e tre i neutrini, gli esperimenti hanno determinato che il più pesante di loro deve essere almeno 0,0000059 volte più piccolo della massa dell’elettrone.
Nuove regole per i neutrini?
Nel 2011, i ricercatori dell’esperimento Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) in Italia hanno fatto scalpore in tutto il mondo annunciando di aver rilevato neutrini che viaggiano più velocemente della velocità della luce – un’impresa apparentemente impossibile. Anche se ampiamente riportato dai media, i risultati furono accolti con molto scetticismo dalla comunità scientifica. Meno di un anno dopo, i fisici si sono resi conto che un cablaggio difettoso aveva simulato una scoperta più veloce della luce, e i neutrini sono tornati nel regno delle particelle cosmicamente rispettose della legge.
Ma gli scienziati hanno ancora molto da imparare sui neutrini. Recentemente, i ricercatori del Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) vicino a Chicago hanno fornito prove convincenti di aver rilevato un nuovo tipo di neutrino, chiamato neutrino sterile. Tale scoperta conferma una precedente anomalia vista al Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND), un esperimento del Los Alamos National Laboratory nel Nuovo Messico. I neutrini sterili sconvolgerebbero tutta la fisica conosciuta perché non rientrano in quello che è noto come Modello Standard, un quadro che spiega quasi tutte le particelle e le forze conosciute, tranne la gravità.
Se i nuovi risultati di MiniBooNE reggono, “Sarebbe enorme; questo è oltre il Modello Standard; questo richiederebbe nuove particelle … e un quadro analitico completamente nuovo,” ha detto il fisico delle particelle Kate Scholberg della Duke University a Live Science.