Fisica Semplice · Asimmetrie Anno II n.3 · dicembre 2006
Il fantasma
con la massa
Cinque articoli, una sola particella. Il terzo numero di Asimmetrie è tutto sul neutrino — quello che sappiamo, quello che non sappiamo ancora, e le macchine che abbiamo costruito per scoprirlo.
Il terzo numero di Asimmetrie fa una scelta insolita rispetto ai precedenti. Non spazia. Non cerca la varietà per sorprendere. Prende una sola particella e la gira e rigira da cinque angolazioni diverse: la massa che non riusciamo a misurare, le interazioni che spiegano perché esiste la materia, il fascio che sparano da Ginevra verso le montagne d’Abruzzo, il telescopio che stanno costruendo a 3.500 metri sotto il Mediterraneo, il fisico siciliano che aveva previsto tutto questo nel 1937 e poi era sparito. Il neutrino è ovunque in questo numero. E quello che rimane alla fine è soprattutto una lista di cose che non sappiamo.
Articolo 1 — La lunga caccia al neutrino
Trent’anni di esperimenti
per pesare qualcosa di invisibile.
Il neutrino è la particella più diffusa dell’Universo dopo i fotoni: ogni secondo, attraverso il palmo della tua mano, passano circa 70 miliardi di neutrini provenienti dal Sole. Non li senti. Non ti fanno nulla. Il neutrino interagisce con la materia solo attraverso la forza debole — la più debole delle forze fondamentali — e attraverso la gravità. Per rivelarlo, servono rivelatori enormi, spesso sepolti nel sottosuolo per schermarsi dal rumore cosmico di fondo.
Per decenni, il Modello Standard aveva assunto che il neutrino fosse privo di massa. Ma dagli anni Novanta qualcosa aveva cominciato a non tornare. I neutrini solari che arrivavano sulla Terra erano meno del previsto — circa un terzo. Era il problema dei neutrini solari, aperto dal 1968 con l’esperimento di Raymond Davis Jr. nel Homestake Mine.
La risposta era l’oscillazione. Se il neutrino ha una massa, anche piccola, può trasformarsi da un tipo all’altro mentre viaggia: un neutrino elettronico prodotto nel Sole può diventare un neutrino muonico o tauonico prima di arrivare al rivelatore. E i rivelatori degli anni Novanta erano sensibili solo ai neutrini elettronici. Gli altri erano semplicemente in forma diversa.
La conferma arrivò nel 1998 con Super-Kamiokande — un serbatoio di 50.000 tonnellate di acqua ultra-purificata a 1.000 metri di profondità in Giappone, tappezzato di fotomoltiplicatori. Poi nel 2001–2002 con SNO in Canada, che usava acqua pesante e riusciva a distinguere i neutrini elettronici da tutti gli altri. Il risultato fu definitivo: i neutrini solari non sparivano, si trasformavano.
Gianluigi Fogli ed Eligio Lisi dell’INFN di Bari lavorano da anni su quella che si chiama global fit: raccolgono i risultati di tutti gli esperimenti al mondo e li analizzano insieme per estrarre i valori più precisi possibili dei parametri di oscillazione. Nel 2006, quei parametri dicono che conosciamo due differenze di massa al quadrato tra i tipi di neutrino e tre angoli di mescolamento. Ma non sappiamo ancora: la massa assoluta, l’ordinamento delle masse, e se i neutrini violano la simmetria CP.
Borexino a Gran Sasso
Neutrini solari — Borexino è un rivelatore a scintillazione liquida nelle gallerie del Gran Sasso. Studia i neutrini prodotti dalle reazioni nucleari del Sole, separando le diverse catene: pp, 7Be, pep, CNO.
Purezza record — il liquido scintillante deve essere il più puro mai prodotto al mondo. La radioattività di fondo deve essere un milione di volte inferiore a quella dell’acqua di sorgente più pulita.
Progetto INFN — internazionale, con la sfera interna da 8 metri di diametro che contiene 300 tonnellate di pseudocumene. Le operazioni complete iniziano nel 2007.
Articolo 2 — Le interazioni deboli
L’angolo di 13 gradi
che spiega perché esiste la materia.
Nel 1963 un fisico italiano di 25 anni pubblica un articolo di quattro pagine che risolve un problema aperto da anni. Nicola Cabibbo, allora all’Università La Sapienza, capisce perché alcune reazioni della forza debole — quelle che trasformano i quark cambiando il “sapore” delle particelle — avvengono con frequenze diverse da quanto previsto dalla teoria.
La risposta è geometrica: c’è una rotazione — un angolo, oggi chiamato angolo di Cabibbo, di circa 13 gradi — che mescola i quark della prima generazione con quelli della seconda. Questo angolo spiega le differenze osservate nelle velocità di decadimento.
Dieci anni dopo, Kobayashi e Maskawa dimostrano che, generalizzando quella matrice a tre generazioni di quark, si ottiene naturalmente la violazione CP — l’asimmetria tra materia e antimateria che spiega perché l’Universo è fatto di materia e non è vuoto. Kobayashi e Maskawa riceveranno il Nobel nel 2008. Cabibbo no: muore nel 2010 senza averlo ricevuto, nonostante il suo contributo fosse il fondamento dell’intera costruzione.
La stessa matematica che descrive la matrice CKM per i quark viene usata per i neutrini. Si chiama matrice PMNS — da Pontecorvo, Maki, Nakagawa e Sakata — e contiene tre angoli di mescolamento e, potenzialmente, una fase CP. C’è però una differenza sorprendente: gli angoli di CKM per i quark sono piccoli (13 gradi, 2 gradi, meno di un grado). Quelli per i neutrini sono enormi: 34 gradi, 45 gradi, e il terzo ancora mal misurato nel 2006.
I neutrini si mescolano enormemente più dei quark. Nessuno sa ancora perché. Il collegamento tra Cabibbo e il neutrino non è solo matematico: è il filo che attraversa tutto questo numero.
Se i neutrini violano CP
Se la matrice PMNS contiene una fase CP diversa da zero, i neutrini si comporterebbero diversamente dalle rispettive antiparticelle durante le oscillazioni. Questo potrebbe aver generato, nei primissimi istanti dopo il Big Bang, una leggera asimmetria tra materia e antimateria — abbastanza da spiegare perché è rimasta la materia. La risposta richiede esperimenti molto più precisi di quelli esistenti nel 2006.
Articolo 3 — L’avventura di CNGS
Dal CERN a Gran Sasso:
730 chilometri attraverso la roccia.
Per dimostrare che i neutrini si trasformano davvero — non solo inferirlo dai dati — occorre sparare neutrini di un tipo noto e aspettarsi di trovarne di un tipo diverso all’arrivo. È quello che fa il progetto CNGS: Cern Neutrinos to Gran Sasso.
L’acceleratore SPS del CERN produce fasci di protoni ad alta energia che colpiscono un bersaglio di grafite, generando pioni e kaoni. Questi decadono producendo neutrini muonici. Il fascio viene diretto verso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 730 chilometri più a est, attraverso la crosta terrestre. I neutrini attraversano la roccia come se non ci fosse. Quasi tutti arrivano dall’altra parte. Quasi.
Se le oscillazioni funzionano come previsto, una piccola frazione di quei neutrini muonici si sarà trasformata in neutrini tauonici durante il viaggio. Il rivelatore OPERA — 150.000 mattoni di piombo e pellicola fotografica, 1.800 tonnellate totali — è progettato per vedere il leptone tau prodotto quando un neutrino tauonico interagisce nella materia. Una traccia di pochi millimetri nella pellicola, che dura meno di un picosecondo.
CNGS ha acceso il fascio nel 2006. OPERA ha cominciato a raccogliere dati. Servono anni di accumulo prima di avere abbastanza eventi. La prima prova diretta arriverà nel 2010.
Intervista a Luciano Maiani
Luciano Maiani — ex Direttore Generale del CERN (1999–2003), professore a La Sapienza — racconta in Asimmetrie n.3 l’avventura di CNGS: anni di negoziazioni tra CERN e INFN, le sfide ingegneristiche di un fascio che deve puntare con precisione millimetrica a un rivelatore a 730 km di distanza e a 10 chilometri sotto le montagne abruzzesi.
Maiani è anche il fisico teorico che aveva co-inventato il meccanismo GIM — la previsione del quark charm per correggere le discrepanze nella teoria di Cabibbo. Il filo tra Cabibbo (articolo 2) e questo esperimento è diretto.
OPERA: come funziona
150.000 mattoni di piombo e pellicola fotografica, disposti in due sezioni. Ogni mattone pesa 8 chili. Quando un neutrino tauonico interagisce nel piombo, produce un leptone tau che percorre pochi millimetri, poi decade. La pellicola registra i vertici di decadimento con risoluzione micrometrica. I mattoni vengono sviluppati e analizzati uno a uno — un lavoro che dura anni.
Articolo 4 — NEMO e il centenario di Majorana
Sul fondo del Mediterraneo,
in ascolto dell’Universo.
I neutrini del Sole, i neutrini di CNGS, i neutrini atmosferici: tutte sorgenti studiate in laboratorio. Ma esistono anche neutrini cosmici di altissima energia, prodotti da eventi catastrofici come esplosioni di supernove, nuclei galattici attivi o fusioni di stelle di neutroni. Questi neutrini potrebbero portare informazioni su eventi che nessun altro strumento può vedere. Per rivelarli serve un rivelatore enorme.
Il progetto NEMO — Neutrino Mediterranean Observatory — vuole costruire un telescopio di neutrini ad alta energia sul fondo del Mediterraneo. Il principio è lo stesso di Super-Kamiokande: quando un neutrino interagisce nell’acqua, produce un muone che emette luce Cherenkov. Rilevando quella luce con fotomoltiplicatori si ricostruisce la direzione del neutrino originale.
Il sito scelto è a 3.500 metri di profondità, a 80 chilometri da Capo Passero, al largo della Sicilia. Nel 2006 il prototipo di stazione di fondo è già stato testato in mare. Emilio Migneco dell’INFN di Catania guida il progetto. L’obiettivo finale è KM3NeT — un rivelatore di un chilometro cubo, che entrerà in operazione negli anni 2020. Il vantaggio del Mediterraneo rispetto al Polo Sud — dove opera IceCube nel ghiaccio antartico — è la visuale: da sotto il Mediterraneo si vede il centro galattico.
Cent’anni da Ettore Majorana
Il 1906 è anche l’anno di nascita di Ettore Majorana, fisico siciliano scomparso nel 1938 durante un traghetto Napoli-Palermo. Il contributo principale di Majorana è un articolo del 1937 sulla teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone: propone l’esistenza di fermioni che sono la propria antiparticella.
Il neutrino — privo di carica elettrica — potrebbe essere un fermione di Majorana. Se lo fosse, sarebbe possibile il doppio decadimento beta senza neutrino. Trovarlo significherebbe confermare la natura di Majorana del neutrino — e spiegare, di riflesso, anche l’asimmetria materia-antimateria.
CUORICINO al Gran Sasso
40 cristalli di biossido di tellurio raffreddati a 10 millikelvin. CUORICINO cerca il doppio decadimento beta senza neutrino: un segnale che confermerebbe che il neutrino è la propria antiparticella, come Majorana aveva immaginato ottant’anni prima.
Cosa rimane
Cinque articoli, cinque domande senza risposta.
Nessun numero di Asimmetrie che ho letto finora ha questo carattere. Gli altri esplorano un territorio: ALICE, ApeNext, Auger; GLAST, adroterapia, CLIC. Questo scava. Prende una sola particella e la aggredisce da ogni direzione possibile — sperimentale, teorica, storica, ingegneristica — e ogni volta che sembra di essere vicini a qualcosa, il pavimento cede un po’ più in basso.
Non sappiamo quanto pesa il neutrino. Non sappiamo se viola la simmetria CP. Non sappiamo se è la propria antiparticella. Tre domande enormi su una particella che attraversa il tuo corpo settanta miliardi di volte al secondo. Quello che mi ha colpito, leggendo questo numero, è che ogni articolo è in realtà un rapporto sullo stato dell’ignoranza. Non nel senso negativo — nel senso che è un documento preciso di dove siamo arrivati e dove non arriviamo ancora.
OPERA troverà il primo neutrino tauonico nel 2010. Borexino misurerà i neutrini del Sole con precisione record. KM3NeT è in costruzione. Il fermione di Majorana — il doppio decadimento beta senza neutrino — non è ancora stato trovato nel 2026. La caccia è più precisa di vent’anni fa, ma la preda sfugge ancora.
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Capita di leggere un numero di Asimmetrie e uscirne con la sensazione di avere capito qualcosa. Questo fa il contrario: esci con la forma precisa di quello che non sai. Vent’anni dopo, il neutrino è ancora lì — ovunque e da nessuna parte, leggero e quasi imprendibile, con una massa che non riusciamo ancora a misurare direttamente. C’è qualcosa di vertiginoso in questo.
Alberto
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