Il premio Nobel 2015 per la Fisica è stato assegnato al canadese Arthur B. McDonald e al giapponese Takaaki Kajita per aver ottenuto la prova sperimentale dell’esistenza del fenomeno dell’oscillazione del neutrino, il primo studiando i neutrini solari e il secondo, i neutrini atmosferici. Ma perché questo fenomeno è così importante per lo studio della costituzione elementare della materia? Per comprenderlo bisogna iniziare dai neutrini. Cosa sono i neutrini? Sono particelle elettricamente neutre, con massa talmente piccola che non è possibile misurarla con le tecniche attualmente a disposizione; essi hanno una probabilità di interazione con la materia estremamente piccola: possono attraversare tutta la Terra, tutto il Sole e anche tutto l’Universo senza interagire. Questa estrema difficoltà di interazione rende molto arduo il loro studio perché i rivelatori di particelle possono “rivelare” una particella, e quindi studiarla, solo se questa interagisce con la materia del rivelatore. Fino a qualche decennio fa il modello della costituzione elementare della materia, e quindi delle particelle elementari, il cosiddetto “Modello Standard”, prevedeva che la massa dei neutrini fosse nulla. Questa concezione è stata rivoluzionata dalla scoperta del fenomeno dell’oscillazione del neutrino, fenomeno che può aver luogo solo se il neutrino è dotato di massa.
Che cos’è il fenomeno dell’oscillazione? Di neutrini ce ne sono di tre tipi, ciascuno dei quali ha una caratteristica quantica, il cosiddetto “sapore” (flavor), che può essere elettronico, muonico, tauonico. Non è questa la sede per spiegare quale sia il significato e l’origine del sapore, ma la cosa importante in questo contesto è ricordare che questa caratteristica rimane “appiccicata” al neutrino come fosse il cognome della sua famiglia. Un neutrino elettronico nasce (viene prodotto) e muore ( si trasforma in altra particella via interazione) senza mai perdere la sua caratteristica quantica di “elettronico”. E questo è vero anche per il neutrino muonico e tauonico. Almeno così si credeva fino a qualche decennio fa e così era previsto dal Modello Standard delle particelle. Ma il fenomeno dell’oscillazione consiste proprio nel fatto che il neutrino, mentre viaggia (a velocità vicina a quella della luce), cambia il proprio cognome (sapore) passando da un sapore all’altro.
Cosa centra in tutto questo la massa? Il punto è che il neutrino che noi osserviamo sperimentalmente non è il vero stato del neutrino. I veri stati dei neutrini sono tre tipi di neutrino aventi tre masse: massa1, massa2, massa3, diverse fra loro, anche se la loro differenza è piccolissima. Quelli che noi osserviamo, i neutrini con sapore, sono tre mescolamenti diversi dei tre stati di massa. Ma cosa vuol dire che gli stati di massa si mescolano? Facciamo un paragone con dei fasci di luce colorati. Se sovrapponiamo su un schermo bianco due fasci di luce, uno di colore rosso e l’altro di colore verde, di intensità praticamente uguale, sullo schermo osserviamo una figura gialla. Se ora aumentiamo un po’ l’intensità della luce rossa, osserveremo sullo schermo un giallo-arancione; se viceversa aumentiamo l’intensità del verde, vediamo un giallo tendente al verde. Nella nostra similitudine il rosso e il verde iniziali sono come gli stati di massa dei neutrini; il giallo-arancione e il giallo-verde che osserviamo sullo schermo sono, nella nostra similitudine, gli stati di sapore che vengono ottenuti appunto mescolando gli stati di massa, così come i vari tipi di gialli si ottengono mescolando con intensità diverse il verde e il rosso.
Ma come si arrivati a scoprire il fenomeno dell’oscillazione? La scoperta dell’oscillazione del neutrino è stata una lunga saga, iniziata intorno agli anni ’50 del secolo scorso e forse finita solo in questi ultimi anni. Tre esperimenti, in Usa (Homestake) e successivamente nel Laboratorio italiano del Gran Sasso (Gallex) e in Russia (Sage) hanno misurato il flusso dei neutrini con sapore elettronico provenienti dal Sole, ottenendo un’intensità decisamente inferiore rispetto alle previsioni del cosiddetto Modello Solare Standard, sviluppato in 30 anni di lavoro e testato su varie caratteristiche statiche e dinamiche della nostra Stella. Questi rivelatori non erano in grado di misurare anche gli altri due tipi di neutrini e quindi per molto tempo rimase l’incertezza sulla causa di questa discrepanza fra il Modello e il risultato sperimentale: o il Modello era sbagliato oppure parte del flusso di neutrini-elettronici emessi dal Sole era “oscillato” in neutrini di altro sapore (il fenomeno dell’oscillazione era già conosciuto, ma in forma ipotetica, grazie al fisico italiano: Bruno Pontecorvo).
Solo verso la fine degli anni ’90 del secolo scorso, l’esperimento SNO (Sudbury Neutrino Observatory), istallato a Sudbury in Canada, misurò sia il solo flusso dei neutrini elettronici sia il flusso totale dell’insieme dei tre neutrini: elettronico, muonico, tauonico, trovando per il flusso di neutrini-elettronici lo stesso deficit rispetto alle previsioni del Modello Solare, così come osservato dai precedenti esperimenti, e per il flusso totale dei tre tipi di neutrini un buon accordo con quanto calcolato sempre dal Modello Solare. L’interpretazione era semplice: il Modello Solare Standard era corretto e il flusso dei neutrini elettronici era deficitario perché parte dei neutrini elettronici prodotti dal Sole si trasforma in neutrini di altri sapori. In tal modo si era ottenuta la prova dell’esistenza dell’oscillazione del neutrino. Il coordinatore della collaborazione che aveva lavorato a SNO era Arthur MacDonald, al quale è stato conferito il premio Nobel 2015 proprio per questo risultato.
I neutrini atmosferici sono dei neutrini prodotti dai raggi cosmici che interagiscono con le particelle componenti l’atmosfera terrestre. I raggi cosmici arrivano dal Cosmo in modo uniforme da tutte le direzioni e così arrivano sulla Terra da tutte le direzioni. I neutrini prodotti devono quindi avere un andamento simmetrico qualunque sia la direzione dalla quale provengono, in particolare dall’alto e dal basso rispetto ad un rivelatore istallato sulla Terra: il fatto che venendo dal basso attraversino la materia terrestre non fa differenza data la scarsissima probabilità che essi hanno di interagire. C’è però una differenza: la distanza percorsa dai neutrini provenienti dall’alto dal punto della loro produzione nell’atmosfera è decisamente inferiore a quella percorsa dai neutrini che provengono dal basso: la differenza è data in media dal diametro terrestre.
Su questa questione della simmetria alto-basso è stata basata la misura fatta da un esperimento giapponese, Superkamiokande, guidato a quell’epoca da Takaaki Kajita, il secondo premio Nobel 2015. La misura dei flussi operata da Superkamiokande ha evidenziato che il flusso dei neutrini-muonici è decisamente inferiore se proviene dal basso rispetto a quelli provenienti dall’alto. Ciò non avveniva invece per i neutrini-elettronici (il rivelatore non era capace di rivelare i neutrini-tauonici) che evidenziavamo flussi alto-basso simmetrici. Anche in questo caso l’interpretazione era abbastanza diretta: l’oscillazione avviene durante il tragitto dei neutrini; dal basso tale tragitto è maggiore e di conseguenza lo è la probabilità di oscillazione. Da qui il deficit dei neutrini-muonici provenienti dal basso rispetto a quelli provenienti dall’alto. La transizione dovrebbe essere dai muonici ai tauonici essendo simmetrici i flussi degli elettronici .
E dopo? Le osservazioni di SNO e Superkamiokande sono state l’inizio dello studio del fenomeno dell’oscillazione. Bisognava capire vari aspetti del fenomeno, se questo avveniva prevalentemente nel vuoto o nella materia, cosa succedeva per i flussi di neutrini solari di energia molto più bassa di quelli osservati da SNO, quale era la probabilità di oscillazione al variare dell’energia dei neutrini e della distanza “punto di produzione-rivelatore”, ecc.; inoltre era importante avere una prova sperimentale diretta del sapore dei neutrini nei quali oscillavano il neutrino-elettronico e quello muonico. Questi studi sono stati eseguiti nei tre lustri, che sono trascorsi dalle misure di SNO e Superkamiokande, essenzialmente da tre esperimenti: Borexino e Opera nei Laboratori del Gran Sasso e da Kamland in Giappone. In particolare il rivelatore Borexino, tutt’ora in funzione dal Gran Sasso, ha permesso misure mai ottenute prime grazie alla radio-purezza del rivelatore, anch’essa mai ottenuta precedentemente e tutt’ora unica.
