Il neutrino è una particella elementare che per certi versi parla italiano perché il suo nome, coniato nella nostra lingua da Enrico Fermi, è identico in tutta la comunità scientifica mondiale. Inoltre il contributo della scuola italiana di fisica in questo campo è stato, e continua a essere, molto rilevante. Basti pensare che un altro grande italiano, Bruno Pontecorvo, formulò già nel 1957 l’ipotesi del fenomeno delle oscillazioni, la spontanea metamorfosi tra i tre tipi (o “sapori”) conosciuti di neutrino, verificata poi sperimentalmente, che costituisce la dimostrazione che queste particelle hanno una massa, ancorché piccolissima.

La scoperta delle oscillazioni è stata premiata con l’assegnazione del Nobel 2015 per la fisica a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald, a testimonianza dell’interesse che queste particelle, definite la cosa più vicina al nulla che esista, riscuotono tra migliaia di fisici sparsi per il nostro pianeta.

Nonostante che nel 2012 si sia festeggiata la scoperta del bosone di Higgs che dovrebbe spiegare l’omonimo meccanismo per cui tutte le particelle acquistano massa, ci sono fortissimi dubbi che esso si applichi anche ai neutrini, particelle elementari che il Modello Standard prevedeva senza massa. Rimane inoltre un mistero il perché siano così leggeri, ben undici ordini di grandezza meno pesanti rispetto al top quark.

Sappiamo ormai con certezza che i neutrini oscillano, ma non sappiamo come le tre differenti masse siano ordinate e quali siano i loro valori assoluti di cui conosciamo al momento complessivamente solo dei limiti superiori, minori di 1 eV/c². Lo studio dei neutrini che escono dal sole, e della loro interazione collettiva con gli elettroni nella materia, ha consentito di conoscere l’ordine di una delle coppie di neutrini di massa definita (autostati di massa), ma il quadro complessivo non è ancora noto e ci sono due possibili soluzioni definite come gerarchia diretta o inversa delle masse. Per capire quale sia quella corretta, si possono seguire due approcci diversi.

L'effetto materia

Il primo consiste nello sfruttare ancora “l’effetto materia” prodotto sui neutrini dal passaggio attraverso la Terra, utilizzando come sorgente o i neutrini prodotti dai raggi cosmici nell’atmosfera o fasci artificiali di neutrini e antineutrini di tipo muonico prodotti da acceleratori di particelle.

I neutrini atmosferici saranno utilizzati da INO, un esperimento programmato in India e dall’esperimento PINGU inserito nel più esteso esperimento IceCube in funzione al Polo Sud, così come ORCA lo sarà nel progetto Km3Net programmato nel Mediterraneo.

L’esperimento Nona in funzione negli Stati Uniti già utilizza invece fasci artificiali di neutrini/antineutrini. E sempre gli Stati Uniti sono la sede di un nuovo grande progetto, il LNBF (Long Baseline Neutrino Facility) che dovrebbe ospitare un esperimento per lo studio delle proprietà dei neutrini di nome DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), un’impresa internazionale. I neutrini generati e inviati dal complesso di acceleratori del Fermilab di Chicago arriveranno dopo un viaggio di 1.300 km al Laboratorio Sanford in South Dakota.

L’altro progetto su fasci di neutrini misurati su lunghe distanze è Hyper-Kamiokande, un rivelatore gigantesco da poco meno di un milione di tonnellate di acqua, in Giappone.

Neutrini da fissione nucleare

Altri tipi di esperimenti dedicati alla misura della gerarchia di massa utilizzano invece come sorgente gli antineutrini prodotti dalle centrali nucleari a fissione utilizzati per la produzione di energia industriale. In questo caso la tecnica utilizzata consiste nel misurare in un rivelatore di grandi dimensioni, posto a opportuna distanza dalle centrali, la “scomparsa” degli antineutrini elettronici, sfruttando un effetto d’interferenza tra le oscillazioni nei tre sapori. Questo è il caso dell’esperimento JUNO, già finanziato e al momento in costruzione, che sarà operativo entro il 2020 in un nuovo laboratorio sotterraneo che si sta scavando nel sud della Cina a 43 km dalla città di Kaiping nella provincia di Guangdong. JUNO non è un esperimento esclusivamente cinese, ma una grande collaborazione internazionale cui partecipano gruppi di ricerca europei, compreso il rilevante contributo italiano dell’INFN, e poi russi, sudamericani e alcuni paesi asiatici. La partecipazione degli scienziati cinesi rimane comunque largamente maggioritaria e il costo complessivo dell’esperimento, che si aggira intorno ai 200 milioni di dollari, è coperto per più del 95% dalla Cina.

Valore assoluto delle masse dei neutrini

Come già detto, le oscillazioni dei neutrini avvengono spontaneamente perché i tre neutrini di massa definita (autostati di massa) sono una mescola dei neutrini di “sapore” diverso, e viceversa quelli di sapore definito una mescola di autostati di massa. Vari esperimenti, nel passato o ancora in atto, hanno misurato l’entità del mescolamento, in altri termini hanno misurato con maggiore o minore precisione i parametri della matrice di mescolamento nota come matrice di Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) che descrive le probabilità di oscillazione dei neutrini mentre viaggiano nello spazio e nel tempo. Le probabilità di oscillazione dipendono dalle differenze dei quadrati delle masse (dette splitting delle masse) e non ci possono quindi aiutare a determinarne il valore assoluto.

Misurando però con grandissima precisione lo spettro energetico di decadimenti beta si può determinare il valore assoluto del più leggero dei neutrini. L’esperimento KATRIN, in costruzione a Karlsruhe in Germania, che misura il decadimento beta del trizio, dovrebbe a breve darci una misura molto precisa.

Fissare l’ordine dei valori delle masse porterà dei vantaggi anche agli esperimenti che hanno come scopo la misura di un rarissimo e finora mai osservato decadimento nucleare, noto come decadimento doppio beta senza neutrino, o a quelli che si propongono di misurare l’eventuale violazione della simmetria CP nelle oscillazioni di neutrino.

Violazione della simmetria CP

C’è ancora, infatti, un altro grande mistero nell’universo: per quel che sappiamo oggi, non ci sono galassie o altri corpi celesti isolati composti di antimateria, viceversa all’inizio di tutto materia e antimateria dovevano necessariamente essere state prodotte in quantità perfettamente uguali. L’eco di questa simmetria iniziale è proprio il fondo cosmico di microonde, creato dall’annichilazione della materia con l’antimateria. Qualcosa però deve avere leggermente sbilanciato la materia rispetto all’antimateria e l’universo, di cui noi oggi siamo parte, è il residuo di questa prevalenza di un “segno” rispetto all’altro, mentre tutto il resto si è annichilito in fotoni che oggi, dopo quasi 14 miliardi di anni, misuriamo a una temperatura di 2,7 gradi kelvin.

S’ipotizza che la causa della sparizione dell’antimateria possa risiedere nella cosiddetta violazione di CP di alcuni processi fisici avvenuti nei primissimi istanti dell’universo.

In fisica le simmetrie, che esprimono l’invarianza di un sistema rispetto a una trasformazione, rappresentano una proprietà della formulazione matematica delle forze fondamentali che si esercitano tra le particelle elementari.

I fisici chiamano simmetria CP l’applicazione contemporanea della simmetria di carica C, cioè dello scambio particella-antiparticella, e della simmetria spaziale P (Parità) consistente nell’inversione spaziale delle coordinate.

Mentre la forza elettromagnetica e la forza forte che tiene i quark legati nei nuclei sono invarianti rispetto a CP, così non è per la forza debole e la violazione di CP ha ricevuto numerose prove sperimentali a partire dagli anni ’60 del secolo scorso, ma fino ad adesso soltanto nel settore adronico in particelle contenenti i quark s e b. La debole entità della violazione misurata sembra tuttavia non essere ancora sufficiente per spiegare il prevalere della materia nell’universo.

Nel settore leptonico la violazione di CP si manifesterebbe come un diverso comportamento nelle oscillazioni degli antineutrini rispetto a quello dei neutrini, da qui l’importanza di una misura che possa portare nuova luce al mistero.

La capacità degli esperimenti di misurare con sufficiente precisione il cosiddetto fattore di fase d_CP della matrice di mescolamento PMNS dei neutrini è anche intimamente correlata con la determinazione della gerarchia di massa e pertanto entrambe le misure sono di primario interesse e rappresentano gli scopi principali degli esperimenti in corso o di prossima generazione nel campo della fisica dei neutrini.

L'esperimento T2K

La buona notizia è che sono arrivati dal Giappone ad agosto di quest’anno risultati molto interessanti dall’esperimento T2K (Tokai to Kamioka), cui l’INFN partecipa da anni.

Già nell’agosto 2016 a Chicago, alla 38° International Conference on High Energy Physics, la collaborazione T2K aveva annunciato le prime indicazioni di una possibile asimmetria nei fenomeni concernenti le oscillazioni di neutrini e delle loro antiparticelle, ma i nuovi risultati, basati su un campione di dati raddoppiati rispetto all’anno precedente, hanno confermato che il numero di antineutrini muonici che oscillano in antineutrini elettronici è inferiore rispetto a quello dei neutrini muonici oscillanti in neutrini elettronici.

La probabilità che l’effetto misurato da T2K sia dovuto a una fluttuazione statistica è al momento inferiore a 1 su 20; se i dati dei prossimi anni, con una statistica 7 volte maggiore, confermeranno il risultato, T2K si avvicinerà sempre di più a un’altra importante scoperta aprendo la strada agli esperimenti di prossima generazione attualmente in preparazione (Hyper-K, DUNE).

Nell’esperimento T2K, un potente fascio di neutrini (o anti-neutrini) muonici è prodotto nel complesso di acceleratori JPARC presso il villaggio di Tokai sulla costa orientale del Giappone. I neutrini sono misurati in prossimità del luogo di produzione e indirizzati verso il gigantesco rivelatore sotterraneo Super-Kamiokande, a Kamioka, nei pressi della costa occidentale del Giappone, a 295 km di distanza. In questo tragitto i neutrini (o gli antineutrini) muonici hanno una certa probabilità di “oscillare”, trasformandosi in neutrini (o antineutrini) di tipo elettronico.

Super-Kamiokande è un enorme apparato che contiene 50.000 tonnellate di acqua purissima, le cui pareti di acciaio sono ricoperte da circa 13.000 fotomoltiplicatori (PMT), foto-rivelatori che convertono la luce in segnali elettrici e che sono sensibili alla presenza anche di un singolo fotone. Quando un neutrino penetra all’interno dell’apparato può interagire, anche se con bassissima probabilità, con l’acqua e produrre particelle cariche elettricamente che si muovono nell’acqua a una velocità prossima a quella della luce nel vuoto, superiore quindi a quella della luce nell’acqua emettendo per effetto Čerenkov una radiazione luminosa intorno al blu.

I neutrini non finiscono quindi di stupirci con nuovi e importanti risultati, e quello della probabile violazione della simmetria di CP nel settore leptonico ha una rilevanza straordinaria.

A dispetto tuttavia dei tanti progressi degli ultimi decenni, molto rimane ancora da scoprire sul neutrino, sulla sua natura e le sorgenti cosmiche che lo generano nell’universo.