Neutrini
Cosa sono? Perché sono così importanti? Perché tutti li cercano? Novità?
L'esistenza del neutrino fu proposta e ipotizzata per la prima volta nel 1930 dal fisico austriaco W. Pauli per spiegare osservazioni sperimentali su sostanze radioattive , il cosiddetto decadimento radioattivo di tipo beta dei nuclei atomici (queste osservazioni furono importanti nella storia della fisica in quanto misero in crisi la legge di conservazione della quantità di moto); E. Fermi elaborò ulteriormente questa ipotesi e diede al neutrino il suo nome. Si trattava comunque di una ipotesi teorica per "far tornare i conti" e salvare la legge di conservazione della quantità di moto!
Furono osservati per la prima volta solo nel 1956, quando C. Cowan e F. Reines riuscirono per la prima volta a "catturare" degli "antineutrini" prodotti da un reattore nucleare negli Stati Uniti.
I neutrini sono le particelle più elusive finora scoperte e non finiscono mai di stupirci; ogni secondo, ogni centimetro quadrato di un qualsiasi oggetto sulla Terra (compresi i nostri corpi) è attraversato da molti miliardi di neutrini; tuttavia quasi nessuno di questi neutrini viene catturato, per dare un'idea in media soltanto un neutrino all'anno interagisce con il corpo di una persona! Il loro studio è di fondamentale importanza in quanto ci fornisce preziose informazioni utili in molti campi della fisica: dalla struttura della materia alla struttura e funzionamento delle stelle, alla cosmologia.
Si conoscono tre "sapori" (in fisica delle particelle "sapore" è sinonimo di" famiglia" o "tipo") di neutrini detti neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tau. Un fenomeno interessantissimo chiamato "oscillazione di sapore" di cui oggi si hanno forti evidenze, è quello per cui in certe condizioni un neutrino inizialmente con un certo sapore, durante la propagazione cambia sapore. Sappiamo anche che ogni particella possiede una corrispondente antiparticella (costituente dell' antimateria), così per ogni neutrino esiste il corrispondente antineutrino; in tutto abbiamo quindi sei tipi di neutrini:
Per "catturare" i neutrini esistono diversi tipi di rivelatori, questi sono costituiti da complessi dispositivi che sfruttano sofisticati processi fisici.
Ogni tipo i rivelatore utilizza delle grosse quantità di materia (questo è necessario a causa della scarsa interazione dei neutrini con la materia stessa) e viene posto in cave sotterranee che hanno lo scopo di schermare la radiazione cosmica (assimilabile ad un rumore di fondo inaccettabile per l'esito degli esperimenti).
Esistono diverse sorgenti di neutrini:
Neutrini terrestri
All'interno della Terra sono presenti minerali contenenti elementi radioattivi quali l'Uranio e il Torio; i nuclei di questi elementi decadono emettendo energia sotto forma di calore, e antineutrini elettronici. I neutrini prodotti sfuggono dalla Terra verso lo spazio. La rivelazione dei neutrini terrestri è estremamente importante per comprendere quanto e come la radioattività naturale è determinante per gli equilibri del nostro pianeta.
Neutrini atmosferici
L'atmosfera terrestre è bombardata dai cosiddetti raggi cosmici, particelle cariche (in prevalenza protoni) di alta energia che si muovono nello spazio. Quando i raggi cosmici penetrano nell'atmosfera, collidono con i nuclei degli atomi e innescano delle reazioni durante le quali vengono prodotte molte particelle secondarie che decadendo originano neutrini e antineutrini (prevalentemente elettronici e muonici). I neutrini atmosferici sono studiati da molti anni e hanno permesso di evidenziare il fenomeno delle oscillazioni di sapore.
Neutrini solari
Una grande quantità di neutrini elettronici viene prodotta all'interno delle stelle e in particolare del Sole; i neutrini vengono emessi nel nucleo del Sole durante le reazioni di fusione termonucleare responsabili della produzione dell'energia, e fuoriescono giungendo fino alla Terra. Il Sole quindi oltre ad essere una potente sorgente di luce e calore è anche una potente sorgente di neutrini. Lo studio dell'energia e del numero dei neutrini solari è fondamentale per la comprensione dei processi fisici che fanno funzionare il Sole. Anche gli esperimenti sui neutrini solari hanno evidenziato la presenza del fenomeno delle oscillazioni di sapore dei neutrini, che subiscono una sorta di amplificazione all'interno della materia solare.
Neutrini da esplosioni di supernovae
I neutrini prodotti da tutte le altre stelle tranne il Sole giungono alla Terra con una intensità molto debole a causa della enorme distanza che ci separa dalle stelle; di conseguenza risulta pressoché impossibile distinguerli dai neutrini solari. E' un po' come se tentassimo di osservare la luce proveniente dalle stelle durante il giorno. Un'eccezione è costituita dall'esplosione delle supernovae galattiche ( una esplosione ogni 35 anni in media), stelle massive che dopo aver esaurito il loro combustibile nucleare collassano ed esplodono. Esse emettono una enorme quantità di energia sotto forma di luce, materia, ed anche di antineutrini. Se la supernova esplode nella nostra galassia la quantità di neutrini emessa è talmente alta da raggiungere la Terra con una intensità rilevante. Questi neutrini vengono emessi in un unico fiotto che dura una decina di secondi, e contengono informazioni importantissime sul meccanismo con cui avviene l'esplosione.
Neutrini fossili
Si ritiene che pochi istanti dopo la nascita dell'universo (Big-Bang) siano stati prodotti un enorme numero di neutrini e antineutrini di ogni sapore, che sono sopravvissuti fino ad oggi diminuendo nel tempo la loro energia a causa dell'espansione dell'universo stesso. Essi si propagano in ogni direzione all'interno dell'universo con una densità di circa 300 per centimetro cubo. L'energia di questi neutrini fossili è ora estremamente bassa, meno di un miliardesimo di quella dei neutrini solari. Per questo motivo attualmente sembra praticamente impossibile catturare questi neutrini.
I neutrini possono anche essere prodotti artificialmente dall'uomo; tra le sorgenti artificiali di neutrini citiamo:
Neutrini da acceleratori di particelle
Gli acceleratori di particelle sono in grado di produrre e accelerare particelle cariche (tipicamente protoni, elettroni o nuclei atomici). Facendo collidere i protoni accelerati da un acceleratore con uno strato compatto di materiale si riescono a produrre particelle che decadendo originano neutrini e/o antineutrini di diversi sapori.
Neutrini da reattori nucleari
Durante le reazioni di fissione nucleare che avvengono all'interno di un reattore nucleare vengono prodotti, oltre a neutroni e altri prodotti di fissione, anche antineutrini elettronici. Ogni reattore nucleare è quindi una sorgente di antineutrini elettronici.
Per chi vuole saperne di più:
L'Incredibile Neutrino Antonio Ereditato
Le oscillazioni dei neutrini Treccani.it
News:
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Blog - Divagazioni sui neutrini e sulla luce
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