CERN e OPERA: osservato per la terza volta il neutrino “mutante”

Sulla Terra, in ogni attimo della sua esistenza, ogni corpo (naturale e artificiale) è attraversato da molti miliardi di neutrini provenienti dal Sole e dallo spazio; tuttavia, quasi nessuno di questi neutrini viene catturato e osservato.  Mercoledì i fisici hanno annunciato un’ulteriore prova della teoria secondo cui i neutrini si trasformano durante il viaggio che li conduce a noi: per la terza volta è stata osservata la mutazione di un neutrino da una famiglia all’altra.

La mutazione è stata catturata nel fascio di neutrini che dal CERN di Ginevra viene spedito ai rilevatori di OPERA (acronimo di Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

Cosa sono i neutrini? Particelle davvero elusive. 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 (di solito la attraversano indisturbati). Per spiegare le osservazioni sperimentali relative al cosiddetto decadimento radioattivo beta dei nuclei atomici, nel 1930 fu Wolfgang Pauli a proporne l’esistenza.

Tali osservazioni richiedevano la produzione di una particella neutra e di massa molto piccola durante il decadimento beta: all’epoca questa particella era certo teorizzabile ma in alcun modo rivelabile. I neutrini furono osservati per la prima volta solo nel 1956 quando C. Cowan e F. Reines riuscirono a catturare un flusso di “antineutrini” prodotti da un reattore nucleare negli Stati Uniti. Oggi si conoscono tre  (sapori o famiglie) di neutrini: neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tau.

Le oscillazioni di sapore tra neutrini. Partito dal CERN con un sapore muonico, dopo aver percorso 730 chilometri attraverso la roccia senza interagire con la materia, il neutrino è arrivato al Gran Sasso con sapore tau. La mutazione è, in termini tecnici, un’oscillazione di sapore osservata solo altre due volte: nel 2010 e nel 2012 grazie all’esperimento OPERA.

OPERA è un esperimento progettato per studiare le oscillazioni di sapore dei neutrini muonici in tauonici.  Costruito tra il 2003 e il 2008 e situato nella Hall C dei laboratori sotterranei del Gran Sasso, OPERA è una collaborazione internazionale tra il CERN di Ginevra e i Laboratori Nazionali del Gran Sasso  – il fascio di neutrini usato è CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso).

Il fascio di neutrini viene prodotto nell’acceleratore SPS del CERN dove un fascio di protoni viene accelerato per poi colpire un bersaglio di carbonio. Vengono in questo modo generati pioni e kaoni che decadono in mesoni e in neutrini muonici. Grazie ad una tromba magnetica focalizzata sui mesoni, i neutrini vengono “reindirizzati” nella traiettoria desiderata. Nel marzo del 2012 sono però state rilevate delle anomalie o errori sistematici nelle misurazioni che forse potrebbero inficiare alcune osservazioni successive al 2010 (in particolare è stata scoperta un’errata calibrazione dell’orologio atomico che calcola il tempo di volo dei neutrini e una cattiva connessione di una fibra ottica con il GPS).

Osservare le oscillazioni di sapore dei neutrini permette di spiegare un’anomalia su cui gli studiosi si arrovellano da oltre quarant’anni: dal Sole e dalle altre stelle sembrano arrivare meno neutrini di quanti ne prevedano le nostre teorie.

Perché sulla Terra arrivano meno neutrini del previsto? L’ipotesi più accreditata è che non ci sarebbero neutrini mancanti, ma solo neutrini che mutano – tecnicamente, che cambiano sapore – durante il viaggio verso la Terra. L’esperimento OPERA ha proprio l’obiettivo di verificare questa ipotesi.

Secondo Giovanni De Lellis, dell’Università Federico II e dell’INFN di Napoli, attuale responsabile internazionale di OPERA, osservare per la terza volta l’oscillazione di un neutrino “è una importante conferma delle due precedenti osservazioni. Questo evento ha caratteristiche che lo rendono inconfondibile con altri processi. L’osservazione di tre neutrini tau, anche dal punto di vista statistico, ci rende confidenti nella scoperta dell’oscillazione dei neutrini muonici in neutrini tau”.

L’analisi dei dati, ha aggiunto Giovanni De Lellis, “proseguirà ancora per due anni alla ricerca di altri neutrini tau che possano definitivamente provare questo fenomeno rarissimo”. Lo studio fornisce significative informazioni in molti campi della fisica: dalla struttura della materia a quella delle stelle.