Neutrini che oscillano

Come probabilmente tutti saprete, il Premio Nobel 2015 per la Fisica è stato consegnato a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald per la scoperta dell’oscillazione dei neutrini.
Se siete finiti qui è perché volete saperne di più e quindi ora proverò a raccontarvi un po’ la situazione. Siccome non voglio che restiate delusi da questo post, provo a fare sin da ora un brevissimo riassunto di ciò che proverò a dire.
In questo post vedremo: cosa sono i neutrini, cosa hanno misurato i Premi Nobel, cosa vuol dire che oscillano, le conseguenze e l’importanza dell’osservazione dell’oscillazione dei neutrini (che poi è la cosa che ha fatto vincere il Nobel ai due signori di sopra).
[Se conoscete già tutto sui neutrini e sapete tutto dei Premi Nobel, potete anche andare direttamente al terzo paragrafo]


Cosa sono i neutrini?

Per capire cosa sono i neutrini bisogna innanzitutto avere un quadro ben preciso delle conoscenze attuali della fisica delle particelle. La teoria che descrive le particelle e le interazioni tra esse è chiamata Modello Standard della Fisica delle Particelle. Un riassunto, se volete, si può fare con un disegno:

Dunque, in rosso abbiamo i quark, in verde i leptoni e in blu i bosoni. Queste sono tutte le particelle fondamentali: combinazioni di queste particelle generano atomi e altre particelle più complicate. Giusto per puntualizzare, i bosoni non sono altro che particelle che permettono a quark e leptoni di interagire. Per esempio, tra i bosoni troviamo il fotone, il quale è la particella che comunica l’interazione elettromagnetica. Gli altri bosoni si occupano della forza nucleare forte e della forza nucleare debole, le altre interazioni fondamentali insieme alla gravità. Infine, abbiamo in questo quadro il bosone di Higgs (quello in viola), particella recentemente scoperta al CERN di Ginevra e fondamentale perché permette alle particelle di acquistare massa.

Ora concentriamoci sui leptoni. In particolare sulla prima riga: abbiamo tre particelle, elettrone, muone e tau. Nella riga sotto abbiamo i tre neutrini corrispondenti ad ognuna di queste tre particelle. In pratica, nella famiglia dei leptoni, abbiamo tre padroni e tre cagnolini e possiamo pensare ai neutrini come a fedeli compagni delle rispettive particelle.
Perché fare un paragone simile? Lo scopriremo tra poco. Nel frattempo notiamo che abbiamo già la risposta alla domanda di questo paragrafo: i neutrini sono particelle fondamentali della natura e, in dettaglio, appartengono ad una certa famiglia chiamata dei leptoni. Non starò qui a parlare delle varie differenze tra quark, leptoni e bosoni perché dobbiamo concentrarci sui neutrini adesso. Magari ne parlerò un’altra volta (fatemelo sapere nei commenti se vi interessa la cosa). Però una cosa la dobbiamo dire: i neutrini hanno carica elettrica nulla, sono appunto neutri e interagiscono tramite la forza nucleare debole e pochissimo in generale con la materia.

Cosa hanno misurato i due Premi Nobel?


Dunque, qua la storia è più lunga del paragrafo precedente. Partiamo dal Sole.
Sappiamo che se il Sole brilla in cielo è perché al suo interno, nel suo nucleo per la precisione, avvengono delle reazioni di fusione nucleare che trasformano l’idrogeno in elio. Inoltre, queste reazioni producono fotoni, cioè onde elettromagnetiche, cioè luce. Ma non solo: producono anche neutrini.
La domanda ora da farsi è: siccome abbiamo visto che ci sono tre diversi tipi di neutrini, quali neutrini vengono prodotti nel Sole?
Risposta: neutrini elettronici. Questo perché l’elettrone è immischiato nelle reazioni di fusione nucleare nel Sole e quindi ecco che il fedele cane da guardia, cioè il neutrino elettronico, spunta fuori. Tali neutrini viaggiano, quasi indisturbati, nell’universo. E risulta difficile acchiapparli.
Ma, tutto sommato, si può fare. Ed è stato fatto per diversi anni dagli anni ’60 fino agli anni ’90 del secolo scorso e viene fatto tuttora. Però (c’è sempre un però), i neutrini che venivano misurati provenienti dal Sole erano solo un terzo di quelli attesi: cosa stava succedendo?
Una possibile ipotesi era quella dell’oscillazione dei neutrini. Tale meccanismo fu ipotizzato dallo scienziato italiano Bruno Pontecorvo nel 1957.
Esatto, avete letto bene: l’oscillazione dei neutrini è stata ipotizzata prima delle misurazioni dei neutrini solari. La scienza è, come al solito, straordinaria nel suo evolversi.
Cosa vuol dire “oscillazione”? Come avete potuto vedere sopra, ci sono tre tipi di neutrini, ognuno associato ad uno tra elettrone, muone e tau. Ecco, oscillazione vuol dire, in questo contesto, che un neutrino dell’elettrone, per esempio, durante il suo vagare nell’universo, può diventare un neutrino del muone o del tau. Come si suol dire tra i capoccioni della fisica, il neutrino cambia “sapore”.
Ed ecco che arriviamo ai nostri premi Nobel 2015: Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald. Il primo ha misurato e trovato conferma di tali oscillazioni nei neutrini che si formano nell’atmosfera terrestre a seguito di diverse interazioni con i raggi cosmici. Il secondo invece ha trovato prove delle oscillazioni studiando i neutrini provenienti dal Sole. In generale, il metodo di analisi è quello di far passare i neutrini fin sotto la superficie terrestre, dove incontrano gigantesche vasche di acqua in cui essi innescano delle reazioni che, una volta avvenute, vengono misurate e che sono caratteristiche proprio dell’arrivo di neutrini nel rivelatore.

Perché i neutrini oscillano?

Va bene, tutto questo probabilmente lo avrete già letto e sentito finanche al telegiornale. Quello che forse non avete sentito è: come mai i neutrini oscillano? Quale meccanismo è in azione?
Sì, perché la cosa base l’abbiamo più o meno capita, cioè un neutrino può cambiare “padrone”.
Ma perché accade questa cosa?
Ora lo vedremo e, se davvero non lo avete letto finora, beh che vi devo dire, prendetela come un’esclusiva di Quantizzando.
Per capire la questione bisogna addentrarsi un attimo nel favoloso mondo della meccanica quantistica.
Dunque, partiamo dal principio. Secondo la meccanica quantistica, lo stato di un sistema fisico è descritto dalla sovrapposizione di diversi stati fondamentali. Praticamente è il famoso esperimento mentale del gatto chiuso in una scatola sia vivo che morto. Solo aprendo la scatola scopriamo la verità. Allo stesso modo, in generale, in meccanica quantistica solo quando effettuiamo una misura di una qualche quantità fisica abbiamo che il nostro sistema fisico sarà descritto da uno solo degli stati fondamentali. Ultimo dettaglio fondamentale: gli stati quantistici sono descritti, matematicamente parlando, da funzioni di probabilità che hanno carattere oscillatorio (quindi, proprio come le onde, hanno un’ampiezza e una fase e inoltre possono interferire tra loro).

Quando dico interferire, intendo una cosa del genere, più o meno.

In particolare, per il neutrino, gli stati fondamentali di cui ci occuperemo sono stati di diversa massa.

Lo so, è arrivato il momento dell’esempio.
Parafrasando, dobbiamo metterci in testa che un neutrino, mentre viaggia dell’universo è una specie di Zaphod Beeblebrox, il curioso personaggio del libro Guida Galattica per Autostoppisti di Douglas Adams. Non credo ci sia bisogno di dare spiegazioni ma, per i più distratti ecco una foto ricordo:

Zaphod è quello alla vostra destra.

Praticamente Zaphod ha due teste che scambia con disinvoltura.
Ora dimentichiamoci, per pura semplicità e rendere meglio l’analogia, del povero neutrino del tau.
Supponiamo di avere solo due neutrini (elettronico e muonico),  solo due stati fondamentali di massa (che chiameremo A e B) e le due teste di Zaphod, ovviamente.
Quello che accade è che proprio come Zaphod è una combinazione di due teste, anche un neutrino può essere pensato come combinazione di diversi stati di massa. Ed ecco che avete una visualizzazione cinematografica-letteraria di cosa vuol dire che un neutrino è la sovrapposizione di due stati fondamentali.

Per dirla in altre parole, durante un’interazione di forza debole viene prodotto un neutrino che sarà descritto da un certo stato di “sapore” ovvero sarà associato (come un cagnolino ad un padrone) all’elettrone o al muone (o al tau che stiamo dimenticando!). Non è detto, però, che ad uno stato di sapore corrisponda anche un preciso stato di massa. Quindi, per esempio, il neutrino elettronico sarà descritto da una combinazione di stati di massa, due nel nostro esempio, come le teste di Zaphod. E così anche il neutrino muonico sarà definito da una diversa combinazione di stati di massa.
Ottimo: allora possiamo vedere la cosa anche al contrario. Un neutrino con massa A sarà combinazione degli stati neutrino elettronico e neutrino muonico. E anche il neutrino con massa B sarà dato da una certa combinazione dei sopracitati stati di “sapore”.

Bene, detto questo possiamo ricapitolare e spiegare la situazione. Dal Sole partono i neutrini elettronici, descritti come combinazione di stato di massa A e stato di massa B, che possiamo immaginare, matematicamente, come due onde che fanno interferenza mentre i neutrini si propagano verso la Terra. Quindi, magari, durante il viaggio, le due funzioni d’onda degli stati di massa si “aggiustano” per ricreare la combinazione che corrisponde al neutrino muonico.
Sembra una cosa incredibile, ma d’altronde stiamo parlando di meccanica quantistica, non dimentichiamolo. E la realtà è descritta così.

Tornando alla Guida Galattica per Autostoppisti, possiamo pensare che il Sole emetta tantissimi Zaphod, tutti che partono dalla stella mostrando la stessa faccia. Tuttavia, ogni Zaphod alterna le due facce durante il tragitto e ognuno lo fa con una frequenza temporale diversa. Potete capire immediatamente che, una volta che la moltitudine di Zaphod arriverà a Terra, ci sarà una certa percentuale con la faccia di partenza e il resto con la seconda faccia.

Ecco spiegato perché i neutrini partono tutti elettronici ma poi sulla Terra solo un terzo di loro viene osservato essere così.

Abbiamo misurato le oscillazioni: che vuol dire per la Fisica?

Bene i neutrini oscillano e abbiamo assegnato il Nobel 2015. E quindi?
Notate che senza differenze di massa, cioè con un solo stato di massa, non osserveremmo le oscillazioni perché avremmo sempre il solito stato di massa a descrivere i vari neutrini. E, in tal caso, come faremmo a dire che il neutrino ha una massa? Bisognerebbe inventarsi altri modi.
Invece, grazie alle oscillazioni possiamo già dire che i neutrini una massa la devono avere.
Mica è poco, eh!
Infatti qua ora ci vorrebbero una cinquantina di post per affrontare un problema molto importante della fisica: la massa delle particelle.
Voi direte: scusa ma non era il bosone di Higgs a dare la massa alle particelle fondamentali? E il neutrino non è una particella fondamentale? Sì e sì. Però (come già detto c’è sempre un però) il neutrino ha una caratteristica particolare: esiste solo il neutrino “mancino”.
Cosa vuol dire? Tutte le altre particelle del modello standard, ad eccezione dei neutrini appunto, sono ambidestre. Si tratta di una proprietà legata ad una particolare simmetria, quella di un’inversione delle coordinate spaziali. In pratica è come pensare di prendere una particella è metterla allo specchio: se è destra, allo specchio sembrerà mancina e viceversa.

Quindi effettuando una trasformazione delle coordinate spaziali “a specchio”, una particella si trasforma nella sua speculare.  Per mantenere questa simmetria rispetto ad un’inversione delle coordinate nelle equazioni della fisica delle particelle, i fisici hanno dovuto eliminare dalle equazioni anche i termini dove compariva la massa delle particelle stesse. Come sapete, comunque questo problema è stato risolto con il meccanismo proposto da Higgs e la scoperta del famoso bosone omonimo.

Il problema del neutrino è che il neutrino esiste solo nella sua forma “sinistra”. Anzi, in realtà questo non sarebbe un problema se il neutrino non avesse massa. Ma le oscillazioni invece dicono che il neutrino una massa ce l’ha. E qui neanche il bosone di Higgs può nulla: il fatto che i neutrini siano solo mancini è un bel problema, di cui magari un giorno parleremo. Volevo solo dirvi che il succo del discorso è che le oscillazioni dimostrano che i neutrini hanno una massa e questo porta ad altre domande a cui cercare una risposta nel mondo della fisica.

Per finire…

Come sempre, dietro un premio Nobel per la Fisica si nascondono più domande senza risposte che risposte conosciute alle domande che hanno permesso la consegna del Nobel.
I fisici continuano indefessi a studiare i neutrini e, chissà, forse magari tra un po’ di anni ne sapremo qualcosa di più.
Vi lascio con un brevissimo video (in inglese ma il senso si comprende anche se non conoscete la lingua) in cui si impara una lezione di vita: se avete fatto una grossa scoperta scientifica, smettete di utilizzare gli auricolari per sentire la musica mentre siete in ufficio!

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