Nobel: a cosa serve un neutrino?

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Il 6 ottobre 2015 è stato assegnato a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald il premio Nobel per la fisica, per la dimostrazione sperimentale dell’oscillazione del neutrino. Ma cos’è realmente il neutrino? E cosa implica questa scoperta per la scienza?

Neutrino_Group

Nella fisica delle particelle un neutrino è una particella subatomica elementare, ovvero una delle particelle elementari che costituiscono l’atomo; è priva di carica e ha massa quasi nulla. Fa parte della famiglia dei leptoni, e dunque dei fermioni, che assieme al gruppo dei bosoni (di cui fa parte anche il famoso bosone di Higgs) forma una delle due classi fondamentali in cui si dividono le particelle, e di cui fa parte ad esempio anche l’elettrone. L’esistenza del neutrino fu postulata già da Wolfgang Pauli nel 1931 e da Enrico Fermi (in foto) nel 1934 per spiegare lo spettro energetico continuo del decadimento delle particelle beta, ovvero un tipo di radiazione nucleare spontanea, detta appunto decadimento radioattivo, attraverso la quale elementi chimici radioattivi si trasformano in altri con diverso numero atomico. Ma perché accade tale processo? E che cosa significa realmente? Nella pratica, tale reazione, è solamente la tendenza di alcune specie nucleari instabili, dette neuclidi, a trasformarsi spontaneamente al fine di ottenere una struttura stabile. A volte tali reazioni emettono delle radiazioni, oppure delle particelle (come nel caso dei neutrini per il decadimento beta). Il più grande esempio di produzione di tali particelle è la fusione nucleare delle stelle, tra cui produce anche il nostro Sole.
Tale deduzione teorica di Pauli e Fermi fu effettivamente dimostrata vent’anni dopo da Clyde Cowan e Frederick Reines che avvistarono tali particelle nel corso di una serie di esperimenti condotti nel reattore a fissione di Savannah River.
Ma cosa c’entra tutto ciò con la scoperta del secolo che ha fatto guadagnare ai due fisici il Nobel?
Il neutrino, come anche il bosone, è una particella molto elusiva e interagisce molto debolmente con le altre particelle atomiche, ergo è molto difficile da studiare e osservare, soprattutto perché non lascia traccia del proprio passaggio nel flusso della materia, e per questo per molto tempo si è pensato che non avesse massa. Infatti secondo il Modello Standard, la teoria che spiega i comportamenti e le interazioni di tutte le particelle conosciute, i neutrini non hanno massa, e sulla base di questa deduzione è stato stimato il numero preciso di particelle che raggiungono la Terra dopo essere state prodotte dal Sole. fermiTale valutazione però risulta sperimentalmente errata e questa discrepanza racchiude in sé un enigma che ha occupato gli scienziati sino ad oggi. L’unico modo tramite il quale fosse possibile spiegare questo mistero era supporre che i neutrini avessero una massa, anche se piccolissima. Il primo a ipotizzarlo teoricamente fu il fisico italiano Bruno Pontecorvo nel 1969, che modificò il Modello Standard sostenendo che, come enunciato nella medesima teoria, ci fossero tre tipi di neutrini chiamati elettronico, muonico e tauonico, ma che fosse possibile che si trasformassero da una tipologia a un’altra. Tale mutazione chiamata dai fisici «oscillazione di sapore», se verificata, avrebbe confermato la teoria sulla massa dei neutrini.

La ragione per cui è stato assegnato il Nobel ai due fisici è che sono riusciti a dimostrare empiricamente la teoria di Pontecorvo, risolvendo l’enigma. Il canadese McDonald, direttore del Subdury Neutrino Observatory Institute, è riuscito infatti a mostrare, nel corso di un esperimento svoltosi nel 2001, che i neutrini elettronici provenienti dal Sole oscillano in muonici e tauonici.
Il secondo scienziato invece, Kajita, fisico dell’Institute for Cosmic Ray Research, si è dedicato soprattutto allo studio dei neutrini atmosferici, scoprendo nel 1994 un’anomalia analoga a quella dei neutrini solari e riuscendo nel 2006 ad identificare l’oscillazione dei neutrini atmosferici nella «configurazione» tauonica.
In conclusione tali fisici sono riusciti finalmente a spiegare le incongruenze e dimostrare dopo anni di tentativi la vera natura dei neutrini a cui possiamo finalmente attribuire una massa, benché esigua, arrivando anni dopo tali scoperte allo sperato e meritato riconoscimento mondiale in campo scientifico.