Esperimento GNO

Per il Pubblico | Per Fisici | Foto | Collaborazione | Pubblicazioni

La posizione sotterranea, seppure necessaria, non e' di per se' sufficiente per consentire una rivelazione efficace dei neutrini: questi sono infatti cosi' elusivi che, per avere la speranza di catturarne qualcuno, e' necessario utilizzare dei rivelatori molto grandi e massicci. Il rivelatore usato per GNO e' costituito da una soluzione di cloruro di gallio e acido cloridrico, avente una massa complessiva di 100 tonnellate.

I neutrini solari aventi energia sufficientemente elevata possono interagire con i nuclei di ⁷¹Ga (un isotopo del gallio con massa 71), che costituiscono circa il 40% del gallio presente nella soluzione. Questa interazione, chiamata processo beta-inverso, converte il nucleo di gallio che interagisce con il neutrino in un nucleo di germanio (⁷¹Ge): nonostante l'elevata massa del rivelatore e l'elevato numero dei neutrini che lo attraversano, l'interazione si verifica meno di una volta al giorno. Poiche' gli atomi di germanio hanno proprieta' chimiche molto diverse rispetto a quelli di gallio, questi possono essere separati dal resto della soluzione mediante una delicata procedura chimica, che prevede un intenso flussaggio di azoto. L'estrazione degli atomi di germanio dalla soluzione viene ripetuta una volta ogni quattro settimane circa; con questa tecnica e' possibile estrarre i circa 10-12 atomi di germanio che sono presenti nella soluzione, disciolti in 10²⁹ atomi di gallio.
E' contando questi atomi di germanio che si puo' risalire al numero di neutrini che attraversano il rivelatore: tuttavia, il numero di atomi prodotti e' troppo piccolo per poter essere misurato con le classiche tecniche dell'analisi chimica. A questo scopo, viene in aiuto il fatto che i nuclei di ⁷¹Ge prodotti dalle interazioni dei neutrini sono radioattivi: dopo un tempo medio di circa 16 giorni, questi decadono spontaneamente (secondo un processo chiamato beta) e ritornano allo stato originario di ⁷¹Ga.
Durante il decadimento del 71Ge vengono emessi anche degli elettroni e dei raggi x, che sono facilmente rivelabili con le tecniche della fisica nuclare. Gli atomi di ⁷¹Ge estratti dalla soluzione vengono convertiti, attraverso una complessa procedura chimica, in gas germano, che viene inserito in un rivelatore di particelle, chiamato contatore proporzionale. In questo modo, e' possibile contare il numero di atomi di germanio prodotti dalle interazioni dei neutrini semplicemente contando il numero di decadimenti radioattivi, facilmente rivelabili, che hanno luogo nel contatore proporzionale.

Il contatore proporzionale, tuttavia, non rivela soltanto i (rari) decadimenti del ⁷¹Ge ai quali siamo interessati, ma anche i segnali prodotti da altre sorgenti, come ad esempio i decadimenti radioattivi nelle rocce circostanti, che invece costituiscono soltanto un disturbo alla misura. Poiche', nonostante la grande schermatura dei Laboratori, questi segnali di disturbo sono piu' frequenti di quelli del germanio, e' stato necessario sviluppare delle tecniche che consentissero di distinguere gli uni dagli altri.

Le tecniche che consentono di "filtrare" gli eventi interessanti da quelli di disturbo sono di grande importanza perche' permettono un conteggio corretto dei pochi atomi di germanio che vengono prodotti: se eventi di disturbo venissero interpretati come decadimenti di germanio, il flusso dei neutrini solari determinato dall'esperimento non sarebbe corretto.

I risultati di GNO:

GNO e' ormai attivo da quattro anni; a questi vanno aggiunti i sei anni di misura del suo predecessore Gallex. I dati ottenuti indicano senza ombra di dubbio che i neutrini solari rivelati sono molti di meno (circa il 55%) rispetto a quanto atteso sulla base dalle teorie: questo "deficit" di neutrini, che e' stato osservato anche da altri esperimenti, e' noto come "problema dei neutrini solari". Le ragioni di questa discrepanza con la teoria possono essere sostanzialmente tre:

La previsione della teoria e' corretta e tutti gli esperimenti che hanno rivelato i neutrini solari forniscono, per qualche motivo, dei risultati scorretti (tutti piu' bassi di quelli "veri");
I modelli teorici che descrivono il Sole sono scorretti o inadeguati per prevedere il numero di neutrini che vengono prodotti. Tuttavia questi stessi modelli consentono di giustificare con precisione impressionante tutte le altre osservazioni riguardanti il Sole.
Sia gli esperimenti che le predizioni teoriche sono corrette, ma i neutrini presentano delle proprieta' peculiari, non contemplate negli attuali modelli di fisica delle particelle. Alcuni neutrini, per esempio, potrebbero cambiare il loro sapore (vedi pagina sui neutrini) durante il tragitto fra il Sole e la Terra e non essere piu' rivelabili dai nostri strumenti.

La soluzione attualmente piu' in voga fra la comunita' dei fisici e' la terza. Sono stati ipotizzati diversi meccanismi che consentono di spiegare, in quest'ottica, il deficit osservato dei neutrini solari: quello giudicato piu' naturale e piu' probabile e' quello delle "oscillazioni" di sapore. Il meccanismo delle "oscillazioni di sapore" sembra essere fortemente indicato anche dalle prime misure dell'esperimento canadese SNO.

Il deficit di neutrini osservato da Gallex e da GNO non puo' essere imputato ad errori o difetti nella procedura sperimentale (ipotesi 1). Il rivelatore infatti e' stato calibrato per ben due volte utilizzando una sorgente artificiale capace di produrre neutrini aventi caratteristiche simili a quelle dei neutrini solari: i risultati ottenuti in queste misure sono in perfetto accordo con quelli previsti teoricamente, una volta note le caratteristiche e l'intensita' della sorgente artificiale. Oltre a questa calibrazione diretta, esistono anche altre prove che indicano l'affidabilita' del metodo utilizzato.