Ci risiamo, i neutrini tornano a far parlare di sé! E stavolta c’è qualcosa di epocale che bolle in pentola.
Non bastava la scoperta delle onde gravitazionali, il 2016 vuole a
tutti i costi passare alla storia come l’anno più turbolento della
fisica moderna! Abbiamo indizi sulla natura della… materia oscura??

Già. Perché dopo la Relatività Generale, stavolta tocca al
Modello Standard far discutere. Per capire cosa è successo lascio la
parola a Simone, dottorando di Fisica Teorica, che ci ha già parlato una
volta del Modello Standard (https://goo.gl/GdRrlr), in occasione di una importante misura che era stata fatta a settembre!
-Lorenzo

1) Che cos’è un neutrino?
Molti voi forse hanno familiarità con il concetto di elettrone, protone
e neutrone, i costituenti dell’atomo. Dagli anni ‘50 in poi si è
scoperto che le particelle credute “elementari” sono in realtà
costituite da particelle ancora più piccole, dette sub-atomiche,
organizzate in una specie di “tavola periodica delle particelle”. La
complessa teoria che descrive questi mattoncini e il modo con cui
interagiscono viene chiamato “Modello Standard”, che include la forza
elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza nucleare forte.
Purtroppo la gravità, trattata dalla Relatività Generale, non è
attualmente descritta a livello microscopico. I neutrini sono le più
leggere e sfuggenti di queste particelle fondamentali, e sono
particolarmente difficili da rivelare e studiare.

2) Come sono stati scoperti, se sono così sfuggenti?
All’inizio del 1900 si iniziarono a studiare i decadimenti radioattivi,
in particolare il decadimento β, nel quale un nucleo atomico emette un
elettrone. Tuttavia, misurando l’energia di elettroni emessi da atomi
identici, si scoprì che non assumevano sempre lo stesso valore. Molto
strano: quando un atomo decade ci si aspetta che lo faccia sempre
nello stesso modo e che emetta un elettrone sempre con la stessa
energia. Visto che l’energia in natura viene sempre conservata, si
ipotizzò allora che qualcosa stesse rubando l’energia che spettava
all’elettrone.
Una particella molto leggera e priva di carica
elettrica, che venne battezzata “neutrino”, facendo eco al suo cugino,
il “neutrone”.

3) Cosa hanno di speciale?
Il neutrino,
nonostante il nome, è qualcosa di totalmente diverso dal neutrone: privo
di carica elettrica e incapace di interagire con le particelle atomiche
(che si parlano con la forza nucleare forte), il neutrino può
interagire solo tramite la forza nucleare debole. E come fa pensare il
nome, questa forza rende i neutrini quasi del tutto insensibili al resto
della materia, il che li rende un vero grattacapo per i fisici
sperimentali che sono costretti a costruire esperimenti enormi sotto
montagne o chilometri di ghiaccio antartico. Pensate che ogni secondo
miliardi di neutrini vi attraversano indisturbati! (https://goo.gl/B5dkiF)

I neutrini possiedono anche un’altra caratteristica: hanno massa,  
piccolissima certo, ma non nulla. Questo dettaglio sembra
insignificante, ma è in realtà importantissimo! Perché secondo il
Modello Standard non dovrebbero averla per niente! Questa è una prova
sperimentale che c’è fisica “oltre il Modello Standard”. Una scoperta
che è valsa il premio Nobel 2015 per la Fisica (https://goo.gl/nF043K, leggetelo, perché è parte integrante di questo post)

In breve i neutrini esistono in 3 “abiti”, o “sapori”, e il fisico
italiano Bruno Pontecorvo predisse che, se i neutrini possiedono massa,
allora sono in grado di “oscillare” e di cambiarsi d’abito, grazie alle
bislacche leggi della meccanica quantistica. Ed è proprio quello che è
stato scoperto: sappiamo che il Sole produce tot neutrini elettronici
nel suo nucleo, ma solo un terzo giunge ai nostri rivelatori: il resto
ha oscillato e ha cambiato “sapore”. Il Modello Standard proibisce ai
neutrini di avere massa, ma loro se ne fregano ed oscillano lo stesso.

Le sorprese provengono, di nuovo, dalle oscillazioni dei neutrini: ci
sono nuovamente dei neutrini “scomparsi”! Sembra cioè che alcuni di
questi (il 6% circa) si siano trasformati in un quarto “sapore”
sconosciuto!

Questo neutrino misterioso viene chiamato
“neutrino sterile”, perché non possiede neanche l’interazione debole. È
la particella più indifferente dell’intero Universo! Una menefreghista
cercata da molto tempo, poiché ci può dare molti indizi sulla fisica
oltre il Modello Standard, visto che già la predizione di Pontecorvo ha
mostrato l’incompletezza della teoria.

In particolare, ci
potrebbe dire qualcosa su cosa sia la famigerata Materia Oscura: cugini
più pesanti del neutrino sterile potrebbero spiegare questa materia
misteriosa che tiene assieme le galassie e l’universo, e persino far
luce sull’inspiegabile asimmetria tra materia e antimateria!

Per ora gli esperimenti hanno una significatività statistica di 3-sigma,
non ancora sufficiente per annunciare una scoperta. Serve il 5-sigma,
fino ad allora si puà parlare solo di indizio! Vedremo cosa ci riserverà
il futuro: i neutrini ci devono ancora dire molte cose sulle leggi
fondamentali della natura. Stay tuned!

-Simone A.

https://www.sciencenews.org/article/reactor-data-hint-existence-fourth-neutrino

(via Chi ha paura del Buio ?)

Ci risiamo, i neutrini tornano a far parlare di sé!