Silenziosamente, invisibilmente, scendono dallo spazio, attraversando il nostro corpo a trilioni ogni secondo, passando attraverso le pareti che ci circondano, attraverso il substrato roccioso dei continenti, attraverso il nucleo della Terra, e fuori dall’altra parte, come se nulla fosse. Arrivano da tutte le direzioni: anche a mezzanotte, un fantasmagorico “bagliore di neutrini
Come si cerca qualcosa che non può essere rivelato? È la domanda che nel 1930 scosse il fisico teorico Wolfgang Pauli che affermò: “Ho fatto una cosa terribile. Ho ipotizzato l’esistenza di una particella che non può essere rivelata”. Il 4 dicembre 1930, in una lettera rivolta ai colleghi riuniti a un congresso a Tubinga, Pauli aveva infatti suggerito l’esistenza di una nuova particella, che poco dopo Enrico Fermi avrebbe soprannominato neutrino, nel tentativo di risolvere uno dei primi problemi in cui la fisica si imbatté dopo la scoperta della radioattività. Il decadimento beta, in particolare, in cui un nucleo atomico instabile decade con l’emissione di un elettrone, era stato classificato da Rutherford 30 anni prima ma restava un fenomeno incomprensibile. Gli esperimenti mostravano, infatti, che l’elettrone emesso, invece di avere un’energia specifica, presentava una distribuzione continua, portando alcuni fisici ad accettare l’idea che la conservazione dell’energia potesse essere violata. Per salvare questa legge fondamentale della fisica, Pauli decise quindi di pensare a “un possibile disperato rimedio”, quello di ipotizzare una nuova particella, leggera, neutra, debolmente interagente che potesse sottrarre parte dell’energia. Ma era egli stesso scettico al punto di confessare che “tale rimedio” poteva “sembrare incredibile poiché avremmo già dovuto osservare tali [neutrini]”. È così che emerse per la prima volta la “particella fantasma”, il neutrino, che per oltre 20 anni avrebbe eluso qualsiasi tipo di rivelazione.
Una particella impossibile da vedere
Nel 1934 Hans Bethe e Rudolf Peierls, usando la nuova teoria sull’interazione debole che Fermi aveva elaborato, cercarono dunque di calcolare la probabilità che un neutrino interagisse con la materia. Giunsero, però, a un risultato scoraggiante (con probabilità inferiore a 10−44 cm2), che commentarono così nell’articolo che pubblicarono su Nature: “non esiste praticamente alcun modo per osservare il neutrino”, lasciando intuire che questa dovesse rimanere per sempre una particella fantasma e che ci si trovasse di fronte a una sconfitta della scienza moderna basata sul principio di falsificabilità e osservazione.
Nel 1951 il fisico Frederick Reines, decise però che non si sarebbe lasciato fermare da queste parole e spinto dalla sfida di trovare l’introvabile si imbarcò nella ricerca della particella. Impegnato nel Progetto Manhattan, e consapevole dell’incredibile flusso di antineutrini generato dalla fissione nucleare, con il supporto di vari fisici, tra cui Clyde Cowan, intuì che per cercare un fantasma fosse necessario un esperimento altrettanto strabiliante. Nacque così il Progetto Poltergeist, che avrebbe misurato il flusso di neutrini generato dall’esplosione di una bomba nucleare da 20 kilotoni, con un rivelatore soprannominato “El Monstro”. Il nome dell’esperimento non fu casuale, Poltergeist in tedesco significa infatti, “spirito rumoroso”, un’entità invisibile, una presenza dispettosa e difficile da catturare ma che interagisce con il mondo fisico.
Il fantasma viene osservato
Ma all’ultimo, Reines e Cowan cambiarono idea e optarono per un reattore nucleare, un’altra novità sperimentale introdotta qualche anno prima da Fermi, che aveva supervisionato la costruzione del Chicago Pile-1 nel 1942.
Usando il reattore del Savannah River Site in Carolina del Sud, la prima fonte artificiale di neutrini mai usata, riuscirono finalmente a rivelarli confermando l’esistenza di queste particelle sfuggenti. Per raggiungere questo obiettivo, costruirono un apparato sotterraneo costituito da centinaia di fotomoltiplicatori che avrebbero intercettato e amplificato le interazioni prodotte all’interno di due serbatoi d’acqua alternati a tre di scintillatore liquido, sostanza che emette luce quando attraversata da particelle cariche.
Il 14 giugno 1956 il fantasma venne per la prima volta rivelato. Ma come ogni buona storia di spettri insegna, i misteri non sono mai così semplici da risolvere, lasciando ancora aperte molte domande.
Il fisico Bruno Pontecorvo negli anni ‘40 aveva infatti iniziato a sollevare l’ipotesi che i neutrini non fossero un unico tipo di particella, ma che potessero essere almeno due, come sembrava emergere dallo studio del decadimento del muone. E così fu. Nel 1962 arrivò la conferma: Leon Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinberger, utilizzando un fascio di neutrini generato dall’Alternating Gradient Synchrotron del Brookhaven National Laboratory, in una delle prime applicazioni degli acceleratori nella ricerca di queste particelle, dimostrarono che l’ipotesi dell’esistenza di più tipi di neutrini era corretta. Ipotesi che verrà nuovamente confermata con la scoperta nel 2000 del neutrino tau con l’esperimento DONUT del Fermilab.
La ricerca continua
La ricerca su queste particelle è però lontana dall’essersi conclusa e sono oggi attivi decine di esperimenti in tutto il mondo, basati su strumentazioni che usano gli stessi principi impiegati nelle prime ricerche. Lo scintillatore liquido abbinato ai fotomoltiplicatori è ancora il cuore di apparati come Borexino, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN, in cui si studiano i neutrini prodotti dal Sole e dalla Terra, o di IceCube in Antartide che ha generato la prima mappa della Via Lattea ottenuta rivelando la sua emissione di neutrini di alta energia. Ma anche dell’esperimento JUNO in costruzione in Cina che punta a determinare la gerarchia delle masse dei tre tipi di neutrini valutando le particelle prodotte da un reattore nucleare proprio come fecero Reines e Cowan.
Gli acceleratori usati fin dagli anni ’60, sono oggi diventati sempre più potenti come dimostrano gli esperimenti long-baseline, che sparano fasci di neutrini per centinaia di chilometri, come i futuri Hyper-Kamiokande in Giappone e DUNE negli Stati Uniti.
Nel tempo si sono poi aggiunti esperimenti con nuove tecniche come il telescopio subacqueo KM3NeT nel Mediterraneo oppure KATRIN, in Germania, un enorme spettrometro per misurare la massa esatta del neutrino elettronico. E ancora, CUORE, CUPID e LEGEND dell’INFN che cercano di indagare la natura stessa della particella.
A settant’anni dalla prima rivelazione, e a quasi cento dalla predizione di Pauli, i neutrini sono dunque ancora ben lontani dall’aver svelato tutti i loro segreti, facendo ancora parlare di sé, dal mistero dell’esistenza del neutrino sterile, fino agli studi sull’oscillazione.
