Neutrini oscillano tra diversi “sapori”: verso una nuova fisica

SCOPERTE – I neutrini sono particelle dotate di massa? Questa la domanda a cui i fisici tentato da tempo di rispondere. Secondo il Modello standard delle particelle, i neutrini non hanno massa, ma esiste un fenomeno chiamato oscillazione che li vede trasformarsi da un tipo in un altro e che, per avvenir,e ha bisogno della contraddizione del modello, cioè devono essere particelle dotate di massa. Ora i 10 eventi registrati dai rivelatori di Opera nei Laboratori nazionali del Gran Sasso dell’INFN e prodotti nell’LHC del CERN di Ginevra, confermano che l’oscillazione dei neutrini esiste e dunque anche la loro massa.

Ma cosa sono i neutrini e in cosa oscillano? Queste particelle che viaggiano a velocità relativistiche, cioè prossime alla velocità della luce, hanno una massa seppur infinitesimale ed esistono in tre diversi “sapori”, ognuno associato al leptone elettricamente carico che viene prodotto nelle interazioni con la materia. Avremo dunque tre “coppie”: elettrone e neutrino elettronico, muone e neutrino muonico e infine tauone e neutrino tau. I neutrini sono particelle che interagiscono debolmente con la materia, proprio per questo motivo è stato ipotizzato nel Modello Standard che non avessero massa.

Un’ipotesi che è entrata in crisi con il fenomeno delle oscillazioni, il processo per cui un neutrino può trasformarsi da un sapore a un altro dopo aver percorso migliaia di chilometri e la cui scoperta è valsa il premio Nobel per la Fisica nel 2015 agli scienziati che l’hanno identificata. L’oscillazione dei neutrini, però, implica che queste particelle abbiano necessariamente una massa e per misurarla è nato l’esperimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) in collaborazione con il CERN di Ginevra per il progetto CNGS, CERNneutrinos to Gran Sasso, attivo tra il 2008 e il 2012.

Nei cinque anni di attività, i neutrini muonici prodotti da SPS 8Super Proton Synchrotron hanno viaggiato in appena 2,4 millisecondi per i 730 chilometri di crosta terrestre che li separava dal rivelatore OPERA, un apparato di circa 4 000 tonnellate di massa complessiva e composto da 150 000 mattoncini costituiti di lastre di piombo, dove avveniva l’interazione dei neutrini, e da emulsioni nucleari utilizzate proprio per fotografare le eventuali interazioni e la trasformazione in neutrini tau.

Il risultato, che è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, ha portato all’osservazione di un primo evento di oscillazione da neutrino muonico a neutrino tau nel 2010. Una nuova strategia di analisi dei dati raccolti ha permesso poi agli scienziati di osservare un totale di 10 eventi di oscillazione, permettendo di ottenere la significatività statistica necessaria all’annuncio della scoperta. Giovanni De Lellis, responsabile della collaborazione internazionale OPERA, ha commentato:

“Abbiamo analizzato tutti i dati con una strategia completamente nuova, tenendo conto delle caratteristiche peculiari degli eventi. E riportiamo anche la prima osservazione diretta del numero leptonico del neutrino tau, ossia il parametro che discrimina i neutrini dalla loro controparte di antimateria, gli antineutrini. È molto gratificante vedere oggi che i risultati ottenuti superano ampiamente il livello di significatività statistica che avevamo previsto quando abbiamo proposto l’esperimento.”

I dati raccolti dalla collaborazione OPERA sono stati inoltre resi pubblici e sono disponibili sul CERN Open Data Portal anche per i ricercatori che non fanno parte dell’esperimento, ma che potranno utilizzarli per condurre nuove ricerche. Inoltre i dati pubblicati sono stati corredati anche di informazioni e di strumenti di visualizzazione che serviranno allo scopo didattico, facilitandone l’interpretazione. Si tratta dunque di un risultato molto importante, che vede per la prima volta sul portale del CERN, lanciato nel 2014, la pubblicazione di dati che non sono stati prodotti da LHC.

L’esperimento frutto della collaborazione internazionale che ha visto l’Istituto nazionale di fisica nucleare, INFN, in primo piano con i laboratori sotterranei del Gran Sasso, lascia una eredità che non si limita ad acquisire una migliore comprensione del comportamento dei neutrini. OPERA rappresenta l’unico rivelatore in grado di osservare tutti e tre i tipi di neutrini e i corrispettivi leptoni carichi e ha richiesto lo sviluppo di nuove tecnologie che ora troveranno applicazioni su larga scala. Dalle pellicole di emulsioni nucleari alle tecnologie completamente automatizzate ad alta velocità e con accuratezza sub-micrometrica necessarie a registrare le tracce di particelle.

Si tratta dunque di tecnologie che potranno essere impiegate anche in altri ambiti di ricerca, come ad esempio la “caccia” alla materia oscura o ancora allo studio dei vulcani, ma che trovano anche applicazione in medicina, dando la possibilità di ottimizzare l’adroterapia oncologica, la stessa che è stata utilizzata anche in archeologia per studiare la struttura della Grande Piramide di Cheope, uno dei monumenti più grandi e antichi al mondo. Dalle nuove tecnologie ad una nuova comprensione dei neutrini, ancora una volta arriva una scoperta che permetterà di aprire una nuova strada nella ricerca in fisica, ma dalle molteplici applicazioni anche nella vita quotidiana.

Nota della redazione: Il 24 maggio alle 11:10 abbiamo modificato il sottotitolo dell’articolo da “Il fenomeno dell’oscillazione dei neutrini osservato dall’esperimento OPERA confuta il Modello Standard: prima conferma che hanno una massa” a “Secondo il Modello Standard i neutrini non hanno massa, ma il fenomeno dell’oscillazioni osservato da OPERA dimostra che ne sono dotati”

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