A distanza di dodici anni dall’attribuzione del Premio Nobel a Masatoshi Koshiba, il neutrino torna da protagonista a Stoccolma insieme a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald, cui è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica 2015.
I due scienziati hanno apportato contributi chiave allo studio delle oscillazioni dei neutrini, una metamorfosi che dimostra che queste particelle hanno una massa, ancorché piccolissima.
Il riconoscimento va idealmente anche a un grande fisico italiano, Bruno Pontecorvo, allievo di Fermi e scomparso nel 1993, che formulò per primo nel 1957 l’ipotesi dell’oscillazione del neutrino.
Era passato appena un anno da quando F. Reines e C.L. Cowan avevano fornito la prova dell’esistenza di questa particella, ipotizzata da Pauli nel 1930 e pochi anni dopo ribattezzata da Enrico Fermi.

Ma che cos’è il neutrino, e perché l’aver dimostrato che ha massa non nulla è così importante?
Il neutrino è una delle particelle più numerose nell’universo di materia conosciuta, essi sono all’incirca un miliardo di volte più numerosi dei protoni e dei neutronidi tutte le stelle dell’universo. Elusivi come fantasmi, interagiscono pochissimo e sono quindi in grado di attraversare indenni la terra, lo spazio, arrivando sino a noi dagli angoli più remoti e nascosti dell’universo.
Il neutrino è una particella elementare elettricamente neutra, appartenente al gruppo dei leptoni, ne esistono tre diverse specie identificate per il loro “sapore”, neutrino elettronico, muonico e tau. Il Modello Standard delle particelle elementari (MS) li inquadra tra i mattoni fondamentali che assieme alle particelle che agiscono da mediatori delle forze, danno luogo alla straordinaria varietà con cui la materia si manifesta.
Viva il Re MS, abbiamo esclamato felici nel 2012 all’annuncio della scoperta del bosone di Englert-Higgs, l’anello mancante di questa straordinaria teoria.
Abbasso il Re MS, sembra dire nel 2015, il Comitato del Nobel che ha assegnato il premio per la scoperta che i neutrini hanno massa. In effetti, il meccanismo di Englert-Higgs che spiega come quark, leptoni carichi e mediatori delle forze acquistino massa, non richiede per nulla che i neutrini siano massivi. L’aver dimostrato che viceversa hanno massa ci fornisce la prova sperimentale di come sia necessario andare oltre l’armonica descrizione della natura data dal MS e immaginare una nuova fisica.
Per comprendere le motivazioni e i contributi specifici apportati rispettivamente da T. Kajita nel campo dei neutrini atmosferici e A. McDonald in quello dei neutrini solari, può essere utile ripercorrere molto brevemente la storia di quest’avventura scientifica.
La scoperta delle caratteristiche intrinseche del neutrino e del fenomeno delle oscillazioni, cioè della loro capacità di trasformarsi, come camaleonti, da un “sapore” a un altro, può essere visualizzata come un grande puzzle,che i fisici hanno iniziato a costruire negli anni ’60.Ed esattamente come un puzzle, il disegno della natura si è svelato solo quando sono state incastrate un numero sufficiente di tessere. Le tante inserite sono il risultato delle ricerche effettuate nei laboratori sotterranei in Giappone, nell’America settentrionale, in Russia e in Italia ai Laboratori INFN del Gran Sasso (LNGS).Il puzzle tuttavia non è ancora completo perché molto rimane ancora da scoprire.

La storia comincia negli anni ’60 con la misura dei neutrini solari effettuata da R. Davis in una miniera del Sud Dakota con cui si dette inizio a un vero e proprio giallo. Il flusso dei neutrini misurati era, infatti, significativamente inferiore a quello predetto dal modello solare. Il deficit fu in seguito confermato dall’esperimento Kamiokande in Giappone. Il dibattito dell’epoca verteva su due ipotesi opposte, o il modello solare era sbagliato e non di poco, oppure il neutrino aveva qualche caratteristica ignota. I due esperimenti non erano però in grado di misurare i neutrini di energia più bassa (pp) dello spettro di emissione solare, che sono anche i più numerosi. Una tessera successiva fu posta dall’esperimento Gallex/GNO ai LNGS negli anni ’90 che fornì la prova che anche il flusso dei più rilevanti neutrini pp era notevolmente inferiore a quello predetto.
La fenomenologia era ormai diventata chiara e l’ipotesi dominante era che la spiegazione del deficit fosse nella trasformazione dei neutrini elettronici solari in neutrini di altri sapori nel viaggio dal sole alla terra. Intanto entrava in gioco il gigante Super-Kamiokane in Giappone, ma la prova conclusiva dell’ipotesi oscillazione si ebbe all’inizio del nuovo millennio con i risultati dell’esperimento SNO (Sudbury Neutrino Observatory) guidato da Art McDonald. L’esperimento, la cui parte più interna era costituita da 1000 tonnellate di deuterio, ha potuto misurare le interazioni dei neutrini di tutti i sapori in modo da verificare che complessivamente il flusso totale fosse quello previsto dal Modello Solare Standard. L’importanza dell’esperimento è stata meritatamente coronata dall’assegnazione del Nobel.

Il puzzle solare continua tuttavia ad arricchirsi di nuove tessere. L’esperimento Borexino ai LNGS sta migliorando la conoscenza in tempo reale dello spettro solare di bassa energia e si spera che possa fornire la prima misura dei neutrini provenienti dal ciclo secondario CNO, importanti per i modelli predittivi in condizioni stellari diverse da quelle solari.
Neutrini di più alta energia rispetto a quelli solari sono un elemento della pioggia incessante di raggi cosmici secondari che colpisce la superficie terrestre, prodotti nell’impatto con l’atmosfera principalmente da protoni provenienti dallo spazio cosmico.

Già alla fine degli anni ’80 l’esperimento IMB negli Stati Uniti e Kamiokande, in Giappone avevano osservato un deficit di neutrini muonici atmosferici rispetto a quelli attesi, in contrasto però con altri esperimenti basati su tecniche di rivelazione diverse. Agli inizi degli anni ’90 anche l’esperimento MACRO ai LNGS aveva cominciato a misurare eventi da neutrini atmosferici eun deficit di quelli muonici. L’ipotesi oscillazione era sul tavolo e cominciavano a circolare progetti dettagliati per la realizzazione di fasci di neutrini artificiali negli acceleratori di particelle,che potessero verificare l’ipotesi in modo più controllato rispetto ai neutrini atmosferici. In particolare si cominciò a progettare il CNGS, un fascio di neutrini da realizzare al CERN di Ginevra e da indirizzare verso il Gran Sasso. Purtroppo il progetto fu approvato solo nel 1999.
Nel frattempo nel 1996 era entrato in funzione Super-Kamiokande, un gigante di 50000 tonnellate di acqua e 13000 fotomoltiplicatori. Al congresso sui neutrini del 1998, T. Kajita che lo guidava poté presentare prove statisticamente significative che l’andamento in funzione dell’angolo di Zenith dei neutrini muonici di alta energia era dovuto alla loro trasformazione in neutrini tau.
L’annuncio della scoperta e le successive pubblicazioni di Super-Kamiokande hanno valso nel 2015 il meritato riconoscimento a T. Kajita.
Nello stesso congresso del 1998 anche l’esperimento MACRO mostrò i suoi risultati a favore dell’ipotesi dell’oscillazione, ma forse con qualche incertezza dovuta alla minore qualità dei dati. Successive conferme sono poi arrivate anche da MINOS, K2K, T2K,e altri.
Infine nel 2015 l’esperimento OPERA ha annunciato la conclusiva scoperta dell’oscillazione dei neutrini muonici in modo diretto, misurando cioè con buona significanza statistica alcuni neutrini tau prodotti dalla trasformazione dei neutrini muonici del CNGS.
Molto rimane ancora da scoprire sul neutrino, ci piacerebbe per esempio sapere se coincide con la sua antiparticella secondo l’ipotesi formulata da Ettore Majorana. Il decadimento doppio beta senza neutrini, finora non osservato, è la via per dimostrarlo. La caccia è aperta ai LNGS e in altri laboratori sotterranei nel mondo, il puzzle continua a crescere.
Forse potrebbe essere utile per l’impostazione della strategia europea sulla fisica del neutrino, rileggere criticamente la storia della scoperta delle oscillazioni nel settore leptonico, potremmo riflettere su tentennamenti, ipotesi teoriche non corrette, ritardi nelle decisioni occorsi in questi decenni all’interno della comunità europea dei fisici del neutrino.