Neutrini

Cosa sono i neutrini?

I neutrini sono le particelle più elusive finora scoperte. Il loro studio è estremamente interessante e ci da' importantissime informazioni in molti campi della fisica: dalla struttura della materia alla struttura stellare, alla cosmologia.

I neutrini sono particelle prive di carica elettrica e con una massa estremamente piccola (che non si è ancora riusciti a misurare). I neutrini interagiscono molto raramente con la materia; possono infatti attraversare praticamente indisturbati enormi spessori di materia.

L'esistenza del neutrino fu proposta nel 1930 dal fisico austriaco W. Pauli per spiegare le osservazioni sperimentali relative al cosiddetto decadimento radioattivo di tipo beta dei nuclei atomici: tali osservazioni richiedevano che durante il decadimento fosse prodotta una particella neutra di massa molto piccola, all'epoca non rivelabile. E. Fermi elaboro' ulteriormente questa ipotesi e diede al neutrino il suo nome.

I neutrini furono osservati per la prima volta solo nel 1956, quando C. Cowan e F. Reines riuscirono per la prima volta a "catturare" dei neutrini (o piu' precisamente degli "antineutrini") prodotti da un reattore nucleare negli Stati Uniti.

Si conoscono tre (o "sapori" o "famiglie") di neutrini detti neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tau e indicati coi simboli ν_e, ν_μ, n_t che tuttavia, oggi abbiamo forti evidenze di un fenomeno interessantissimo chiamato "oscillazioni di sapore" per cui in certe condizioni un neutrino inizialmente con un certo sapore lungo la sua propagazione.

Ogni particella possiede una corrispondente antiparticella: così per ogni neutrino esiste il corrispondente antineutrino; in tutto abbiamo quindi sei tipi di neutrini, come illustrato nella figura.

Come nascono i neutrini?

In ogni secondo ogni oggetto sulla Terra (compresi noi stessi) è attraversato da molti miliardi di neutrini; tuttavia quasi nessuno di questi neutrini viene catturato: per dare un'idea in media soltanto un neutrino all'anno interagisce con il corpo di una persona!

Le sorgenti di neutrini sono molteplici. Muoviamoci dalle sorgenti più vicine a quelle più lontane:

1. Neutrini terrestri
2. Neutrini atmosferici
3. Neutrini solari
4. Neutrini da esplosioni di supernovae
5. Neutrini fossili

I neutrini possono anche essere prodotti artificialmente dall'uomo; tra le sorgenti artificiali di neutrini citiamo:

Come si rivelano i neutrini?

Abbiamo detto che i neutrini sono particelle che interagiscono molto difficilmente con la materia, tanto che la stessa Terra è praticamente trasparente per un neutrino. Di conseguenza è facile capire che la rivelazione (o cattura) è estremamente difficile.

Data la rarità delle interazioni, occorre costruire rivelatori con una massa molto grande, dell'ordine di molte tonnellate e porsi in un ambiente in cui solo i neutrini possano giungere, i disturbi dovuti alla presenza di flussi di altre particelle possono essere limitati.

Gli esperimenti vengono quindi costruiti sotto terra in miniere o in tunnel autostradali. La roccia e la terra sovrastante blocca gran parte delle particelle, che protrebbero produrre un rumore di fondo per il rivelatore, come i muoni, mentre i neutrini giungono indisturbati fino al rivelatore, dove qualcuno di essi viene alla fine catturato.

Note

1. Neutrini terrestri
   All'interno della Terra sono presenti minerali contenenti elementi radioattivi quali l'Uranio e il Torio; i nuclei di questi elementi decadono emettendo energia sotto forma di calore, e antineutrini elettronici. L'energia prodotta dalla radioattività naturale all'interno della terra corrisponde a circa 20000 centrali elettriche da 1 GigaWatt e contribuisce a mantenere incandescente il nucleo e il mantello terrestre. I neutrini prodotti sfuggono dalla Terra verso lo spazio. La rivelazione dei neutrini terrestri è estremamente importante per comprendere quanto e come la radioattività naturale è determinante per gli equilibri del nostro pianeta.
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2. Neutrini atmosferici
   L'atmosfera terrestre è bombardata dai cosiddetti raggi cosmici, particelle cariche (in prevalenza protoni) di alta energia che si muovono nello spazio. Quando i raggi cosmici penetrano nell'atmosfera, collidono con i nuclei degli atomi e innescano delle reazioni durante le quali vengono prodotte molte particelle secondarie che decadendo originano neutrini e antineutrini (prevalentemente elettronici e muonici). I neutrini atmosferici sono studiati da molti anni e hanno permesso di evidenziare il fenomeno delle oscillazioni di sapore.
   
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3. Neutrini solari
   Una grande quantità di neutrini elettronici viene prodotta all'interno delle stelle e in particolare del Sole; i neutrini vengono emessi nel nucleo del Sole durante le reazioni di fusione termonucleare responsabili della produzione dell'energia, e fuoriescono giungendo fino alla Terra. Il Sole quindi oltre ad essere una potente sorgente di luce e calore è anche una potente sorgente di neutrini. Lo studio dell'energia e del numero dei neutrini solari è fondamentale per la comprensione dei processi fisici che fanno funzionare il Sole. Vari esperimenti sono stati in grado di misurare i neutrini solari prodotti in molte reazioni termonucleari del sole. Anche gli esperimenti sui neutrini solari hanno evidenziato la presenza del fenomeno delle oscillazioni di sapore dei neutrini, che subiscono una sorta di amplificazione all'interno della materia solare. I neutrini prodotti da altre reazioni verranno studiati nei prossimi anni.
   
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4. Neutrini da esplosioni di supernovae
   I neutrini prodotti da tutte le altre stelle tranne il Sole giungono alla Terra con una intensità molto debole a causa della enorme distanza che ci separa dalle stelle; di conseguenza risulta pressoché impossibile distinguerli dai neutrini solari. E' un po' come se tentassimo di osservare la luce proveniente dalle stelle durante il giorno. Nel caso dei neutrini infatti non esiste "notte" poiché la Terra è trasparente ai neutrini stessi. Un'eccezione è costituita dall'esplosione delle supernovae, stelle massive che dopo aver esaurito il loro combustibile nucleare collassano ed esplodono. Esse emettono una enorme quantità di energia sotto forma di luce, materia, ed anche di antineutrini. Se la supernova esplode nella nostra galassia la quantità di neutrini emessa è talmente alta da raggiungere la Terra con una intensità rilevante. Questi neutrini vengono emessi in un unico fiotto che dura una decina di secondi, e contengono informazioni importantissime sul meccanismo con cui avviene l'esplosione. In occasione dell'esplosione della supernova extragalattica nella grande nube di Magellano avvenuta nel 1987 (supernova SN1987A) si sono catturati per la prima volta una ventina di neutrini emessi in queste "catastrofi cosmiche". Gli esperimenti attualmente in funzione consentono di rivelare un numero di neutrini da supernova molto più grande ma ... bisogna avere un po' di fortuna: infatti il numero di esplosioni di supernovae galattiche è di solo una ogni 35 anni in media...
   
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5. Neutrini fossili
   Si ritiene che pochi istanti dopo la nascita dell'universo (Big-Bang) siano stati prodotti un enorme numero di neutrini e antineutrini di ogni sapore, che sono sopravvissuti fino ad oggi diminuendo via via la loro energia a causa dell'espansione dell'universo stesso. Essi si propagano in ogni direzione all'interno dell'universo con una densità di circa 300 per centimetro cubo.  L'energia di questi neutrini fossili è ora estremamente bassa, meno di un miliardesimo di quella dei neutrini solari. Per questo motivo attualmente sembra praticamente impossibile catturare questi neutrini.
   
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