Sol Levante sui neutrini

Sorprendenti i dati raccolti poco prima del terremoto

di Andrea Signori

Buone notizie dal Giappone: l’esperimento T2K ha rilevato, per la prima volta al mondo, la trasformazione di neutrini muonici in neutrini elettronici. C’è fermento tra gli scienziati, perché si aggiunge un importante pezzo a uno dei puzzle più intricati della scienza moderna: la fisica del neutrino. Il team di scienziati ha conteggiato ben 6 di queste oscillazioni analizzando gli 88 eventi significativi registrati dal gigantesco rivelatore Super-Kamiokande. I dati sono quelli raccolti tra gennaio e giugno 2011 e da novembre 2010 all’11 marzo di quest’anno, data del tremendo sisma che ha colpito la costa est del Giappone. La collaborazione ha raccolto gli importanti risultati in un articolo in attesa di pubblicazione su “Physical Review Letters”.

SK: un'enorme caverna tappezzata di rivelatori di luce e riempita d’acqua. (Cortesia: High Energy Accelerator Research Organization, Japan)

I neutrini sono proprio strani. Sono tra le particelle elementari più “asociali”: non interagiscono quasi mai con la materia. Da bravi leptoni, vivono in tre famiglie diverse, distinte per numero quantico di flavour (sapore): ci sono la famiglia elettronica, quella muonica e quella tauonica. Fin qui tutto secondo i piani (cioè il Modello Standard). Ma quello che rende i neutrini uno dei confini tra “vecchia” e “nuova” fisica è il fenomeno delle oscillazioni. A queste particelle piace cambiare famiglia, trasformare il proprio carattere leptonico: da muonico a tauonico, per esempio (come già rilevato da alcuni esperimenti). Questo in modo inconciliabile con la teoria corrente della fisica delle particelle: infatti il meccanismo delle oscillazioni si riconduce alla massa dei neutrini, mentre nel Modello Standard essi sono postulati con massa nulla. La descrizione matematica è basata sulla matrice PMNS (dai nomi di Pontecorvo, Maki, Nakagawa e Sakata), l’analogo leptonico della matrice CKM, che regola le probabilità di mescolamento.

T2K significa “Tokai to Kamioka”, dal nome delle due località che partecipano all’esperimento. Nell’acceleratore lineare del J-PARC (Japanese Proton Accelerator Complex), presso Tokai, si accelerano protoni con lo scopo di produrre, mediante opportune collisioni, neutrini, in prevalenza muonici. Organizzati in fasci ben collimati, i neutrini viaggiano indisturbati (poco propensi alle interazioni) nel sottosuolo giapponese fino al rivelatore Super-Kamiokande, presso Kamioka: proprio come i fasci di neutrini spediti dal CERN sotto le Alpi fino ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, in Italia. Conteggiando il numero di neutrini rilevati e la rispettiva famiglia di appartenenza, gli scienziati possono capire se alcuni abbiano oscillato e, in caso affermativo, se l’abbiano fatto in accordo con il modello matematico ritenuto valido.

T2K: "Tokai to Kamioka", ovvero il viaggio dei neutrini nel sottosuolo giapponese. (Cortesia: High Energy Accelerator Research Organization, Japan)

Quando un neutrino elettronico colpisce una molecola d'acqua nel rivelatore Super-Kamiokande, questa emette un elettrone: i pallini colorati rappresentano la radiazione Cerenkov emessa dagli elettroni e costituiscono la "firma" della reazione. (Cortesia: High Energy Accelerator Research Organization, Japan)

Il recente risultato è molto importante, essendo la prima evidenza sperimentale di oscillazioni dalla famiglia muonica a quella leptonica. Aver conteggiato 6 eventi adatti su 88 potrebbe sembrare un risultato “povero”, ma agli scienziati ha permesso di determinare al 90 per cento di confidenza (10 per cento di possibilità di errore) l’elemento della matrice PMNS responsabile di questa transizione. Si potrebbe comunque fare decisamente meglio. Lo si legge nell’articolo stesso e lo conferma anche Takashi Kobayashi, portavoce della collaborazione: “Sarebbero necessari dati più accurati per confermare l’eccesso di neutrini elettronici e per stimare meglio l’elemento di matrice. C’è la remota possibilità che si siano confusi i neutrini elettronici con quelli muonici. Per fugare questi dubbi è necessario lavorare sulla statistica”.

In altre parole, accumulare molti altri dati sperimentali. Ciò sarà possibile solo dopo la riapertura dell’apparato, rimasto seriamente danneggiato dal sisma, prevista per la fine di quest’anno. Allora si potranno anche ripetere l’esperimento e le reazioni coinvolte utilizzando antineutrini), per evidenziare eventuali asimmetrie tra materia e antimateria (violazioni di simmetria CP).

Al programma giapponese guardano con particolare interesse dal Fermilab, nell’Illinois, dove, a fianco del già avviato MINOS, è in fase di allestimento NOvA, un altro esperimento dedicato alla transizione dal sapore muonico a quello elettronico. Mark Messier, ricercatore dell’Università dell’Indiana e portavoce della futura collaborazione, già si frega le mani: “Grazie ai risultati di T2K potremo sondare a fondo la fisica dei neutrini. Più di quanto sperassimo”.