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Neutrino
Catturato il quarto neutrino "trasformista"
Ogni dubbio è fugato: i neutrini muonici possono trasformarsi in neutrini tauonici. Gli scienziati impegnati nell'esperimento OPERA che si svolge nei laboratori sotterranei del Gran Sasso in Italia, e vede tra gli altri la collaborazione dei fisici dell'Università di Berna, hanno dimostrato questo fenomeno con una precisione finora sconosciuta. Il risultato è stato presentato nell'ambito di un seminario scientifico ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
I neutrini sono particelle subatomiche elementari di massa piccolissima e carica elettrica nulla, da qui il nome "neutrino", cioè "piccolo neutrone". I neutrini hanno pochissima propensione a interagire con altre particelle; possono infatti attraversare praticamente indisturbati il globo terrestre senza essere osservati. Tale carattere elusivo ne ha reso difficile la rivelazione (o cattura) e lo studio da parte dei fisici.
Meccanismo quantomeccanico
Esistono tre famiglie o sapori (in inglese "flavours") di neutrini: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico. Inoltre, i neutrini possono trasformarsi da un tipo di neutrino in un altro, all'interno delle tre famiglie finora note. "Tale trasformazione è un meccanismo quantomeccanico", spiega il Prof. Antonio Ereditato dell'Università di Berna, uno dei maggiori esperti al mondo di fisica del neutrino. "Potete immaginare questo fenomeno come la mutazione di un cono di luce bianca che è composto da tanti colori diversi: se muta uno di questi colori, cambia anche il colore complessivo del cono luminoso", aggiunge il Prof. Ereditato.
La trasformazione di un neutrino di tipo muonico in un neutrino tauonico è una mutazione di questo tipo. La trasformazione ha la caratteristica di un'oscillazione, ciò significa che un neutrino muonico può assumere un sapore diverso (tauonico) al passare del tempo e quindi tornare al suo sapore originario (e così via). La trasformazione può essere osservata dai fisici solo se il neutrino muonico percorre una distanza sufficiente, ad esempio i 730 chilometri che separano Ginevra dal Gran Sasso in Abruzzo. Tale distanza è infatti sufficiente per osservare la prima oscillazione (ossia da muone a tau).
Fotografato da OPERA il quarto neutrino tauonico
L'esperimento OPERA è nato negli anni '90 su proposta del Prof. Ereditato e di due colleghi con l'obiettivo di verificare proprio questa ipotesi dell'oscillazione dei neutrini da tipo muonico a tipo tau. Questo esperimento consiste in un rivelatore sotterraneo all'interno del Gran Sasso, in grado di osservare i neutrini muonici creati al CERN di Ginevra e arrivati ai Laboratori del Gran Sasso come neutrini tau. Trattandosi di una trasformazione estremamente rara, è estremamente raro riuscire ad osservarla. OPERA è in funzione e raccoglie dati dal 2008. Il primo neutrino tau è stato tuttavia osservato solo nel 2010, il secondo e il terzo nel 2012 e nel 2013, rispettivamente. Ora è arrivato il quarto.
"Dopo aver osservato il quarto neutrino tau nel Gran Sasso possiamo affermare con una significatività statistica superiore a 4 sigma (4,2) che questa trasformazione del neutrino da muonico in tau avviene effettivamente", continua Antonio Ereditato dell'Università di Berna, che con il suo Istituto di Fisica rappresenta oggi l'unico istituto svizzero di ricerca che partecipa all'esperimento OPERA. "Si tratta di un successo anche in ragione del fatto che finora non era stato possibile osservare direttamente la mutazione di un neutrino muonico in un neutrino tauonico con nessun altro esperimento", sottolinea il Prof. Ereditato.
Decenni di attesa per la prova
Il fenomeno dell'oscillazione del neutrino era già stato predetto dal fisico italiano Bruno Pontecorvo negli anni '50, ma si è dovuto attendere fino al 1998 per la prima osservazione sperimentale di una tale trasformazione (grazie all'osservatorio Super-Kamiokande situato in Giappone). Allora era stata osservata solo la sparizione di neutrini muonici. Da allora i fisici hanno concentrato tutte le proprie energie nello studio di questo processo di trasformazione per meglio comprendere l'ancora misterioso neutrino.
Un altro esperimento giapponese (T2K) e l'esperimento OPERA in Italia sono gli unici due esperimenti che sono finora riusciti a osservare direttamente la trasformazione dei neutrini. Altri scienziati erano riusciti a dimostrare il fenomeno solo indirettamente: attraverso la loro sparizione. Avevano infatti osservato che i neutrini muonici prodotti dalle interazioni dei raggi cosmici e dal sole arrivavano sulla Terra in quantità sorprendentemente minore di quanto previsto. L’osservazione di oggi ne spiega il perché: i neutrini "mancanti" sono, infatti, quei neutrini muonici che lungo il percorso hanno oscillato in neutrini di tipo tau. Anche altri esperimenti, per i quali si è ricorso all'impiego di acceleratori o centrali atomiche come sorgente di neutrini, hanno dimostrato la "mancanza" di neutrini muonici.
Ampia partecipazione internazionale
L'esperimento OPERA nel Gran Sasso è condotto sotto l'egida dell'Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN). All'esperimento partecipano 140 fisici provenienti da 11 stati, tra cui la Svizzera. Nei laboratori sotterranei del Gran Sasso è ubicato un rivelatore del peso di 4000 tonnellate, che si può immaginare come una macchina fotografica che fotografa i neutrini.
Benedikt Vogel (pubblicato il 25. 3. 2014)