Neutrini: ottant’anni di ricerche

Questa teoria prevedeva che la massa del neutrino fosse molto piccola rispetto alla massa dell’elettrone, non escludendo la possibilità che fosse nulla; solo dopo alcuni decenni certi fatti sperimentali, ignoti quando Fermi espose la sua teoria, hanno mostrato che la massa del neutrino non è nulla, come si vede dalla scheda allegata. La teoria di Fermi prevedeva anche la possibilità di un processo inverso del decadimento β, prevedeva cioè che potesse avvenire uno dei due processi descritti appresso.

Primo processo: un elettrone e un neutrino incidono su un protone e nello stato finale compare un neutrone e un protone, l’elettrone e il neutrino che erano nello stato iniziale sono scomparsi; secondo processo: un positrone e un antineutrino incidono su un neutrone e nello stato finale compare un protone e un neutrone, il positrone e l’antineutrino che erano nello stato iniziale sono scomparsi. La teoria di Fermi non prevedeva né che neutrino ed antineutrino fossero particelle identiche né che fossero particelle diverse, più tardi si vide (vedi scheda allegata) che sono particelle diverse. Fermi spiegò come facendo uso di un processo inverso del decadimento β si sarebbe potuto rivelare il neutrino e l’antineutrino.

Hans Bethe e Peierls, usando i dati che allora erano a disposizione, calcolarono la probabilità che un antineutrino venisse assorbito da un nucleo provocando in esso la scomparsa di un protone e la comparsa di un neutrone e di un positrone (www.arvix.org/pdf/physics/0603039v3.pdf).

Dai calcoli di Bethe e Peierls risultava che tale probabilità era così piccola che se un neutrino incide sul pianeta Terra la probabilità che esso emerga dalla terra dopo averla attraversata è molto più grande della probabilità che il neutrino venga assorbito all’interno della terra. Sembrò allora (ma non dopo circa 12 anni) che l’idea di Fermi, se pur corretta in linea di principio, non avrebbe permesso in pratica di rivelare neutrini (un ragionamento analogo si può fare per gli antineutrini). Nel 1934 Fermi passò a ricerche di altro tipo.

Fu Bruno Pontecorvo il primo a esporre un metodo basato sul processo inverso al decadimento β che, a suo parere, avrebbe permesso la rivelazione del neutrino (Chalk river Laboratory Laboratory report “Inverse β process” , 1946). Pontecorvo considerò diverse reazioni che si sarebbero potute impiegare per la rivelazione dei neutrini, tra queste la più promettente gli parve la seguente:

n_e+³⁷Cl → e ^—+³⁷Ar

Questa reazione fu realizzata da Raymond Davis nel suo esperimento sui neutrini emessi dal sole che gli valse il premio Nobel nel 2002. Dell’esperimento di Davis dirò in un prossimo articolo, perché esso è successivo alla prima rivelazione, ottenuta da Cowan e Reines nel 1956.

Per illustrare come sia possibile utilizzare l’idea di Fermi per rivelare praticamente il neutrino Frank Close nel suo libro intitolato “Neutrino” (Raffaello Cortina Editore, ISBN 978-88-6030-452-0) ricorre all’analogia della lotteria. Io ricorro all’analogia del Super Enalotto, perché questo gioco mi è più familiare.

Se voglio rivelare l’evento “è uscito un sei giocato al Super Enalotto” allora non è molto utile che io vada a giocare una schedina. Anche se andassi a giocare una schedina per ogni estrazione che viene fatta, molto probabilmente nel tempo che mi resta da vivere non riuscirei a rivelare l’evento “ho fatto sei”. Pure l’evento “qualcuno ha fatto sei” (e ha intascato un bel malloppo) è stato rivelato molte volte. Il punto è che il numero di combinazioni giocate da qualcuno è molto più grande del numero di combinazioni giocabili da me. Nel caso della rivelazione del neutrino affinché essa possa avvenire con probabilità non trascurabile è necessario che un grandissimo numero di neutrini interagisca col rivelatore .

Reines, che per alcuni anni si era posto il problema di rivelare i neutrini senza trovare una soluzione, nel 1951 ne aveva parlato con Fermi chiedendogli se riteneva possibile tentare l’esperimento in occasione di una esplosione atomica, dato il grandissimo numero di neutrini che vengono emessi in tale circostanza; Fermi rispose che ci si poteva pensare, ma né Fermi né Reines avevano al momento idea del rivelatore che si sarebbe potuto usare. Poco tempo dopo Reines conobbe Cowan e gli parlò del problema del rilevamento dei neutrini; Cowan ne fu interessato e entrambi decisero di collaborare.

Nel settembre 1952 Reines e Cowan compresero che c’era un modo migliore per effettuare l’esperimento di quello di operare in concomitanza con una esplosione nucleare: operare in prossimità di un reattore nucleare perché esso poteva essere una sorgente soddisfacente di neutrini. Attorno al 1950 erano in funzione negli Stati Uniti d’America diversi reattori nucleari. Tipicamente un reattore nucleare è in grado di emettere 10.000 miliardi di neutrini al secondo per centimetro quadrato e si poteva pensare al progetto di un esperimento da eseguire in prossimità di un reattore nucleare.

Il 4 ottobre 1952 Cowan e Reines scrissero a Fermi, esponendogli la loro nuova idea e chiedendogli cosa ne pensava. Fermi rispose subito, convenendo che si trattava di una buona idea. Nel 1953 Cowan e Reines costruirono il prototipo di un rivelatore di neutrini, che chiamarono “Poltergeist”. Le reazioni che avvenivano nel rivelatore provocavano due distinti lampi di raggi gamma a circa 5 microsecondi l’uno dall’altro qualora un (anti)neutrino fosse stato catturato. Per maggiori dettagli rimando al libro “Neutrino” di Frank Close, pag. 40.

Cowan e Reines collocarono il Poltergeist in prossimità di uno dei reattori nucleari degli Hanford Engineering Works nello Stato di Washington e quello stesso anno trovarono i primi indizi un segnale, tuttavia le osservazioni non permettevano di trarre conclusioni certe.

In seguito Cowan e Reines costruirono un rivelatore di maggiori dimensioni e lo collocarono nel sottosuolo a 12 metri di profondità, ben schermato dai raggi cosmici e a meno di 11 metri dal nucleo del reattore di Savannah River. Nell’estate del 1956 il Poltergeist registrò lampi di raggi gamma con un intervallo di 5,5 microsecondi. Cowan inviò un telegramma a Pauli annunciando che era stato finalmente rivelato il neutrino che lo stesso Pauli aveva ipotizzato un quarto di secolo prima.

(continua)