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pubblicato il 23 febbraio 2012 in spazio

Neutrini: record di velocità?

La notizia
Sembra dovuta a un errore strumentale la clamorosa scoperta fatta dai ricercatori del CERN di Ginevra, secondo i quali un fascio di neutrini sarebbe più veloce della luce. Infatti, la distanza tra il CERN e i LNSG è stata misurata accuratamente scoprendo un piccolo errore nella misurazione iniziale, che avrebbe poi fatto misurare una maggiore velocità dei neutrini. La smentita, pubblicata sull’importante rivista Science, fa ripartire da zero il dibattito.

La storia
Il 22 settembre, in un’intervista al quotidiano “Il Giornale”, il Prof. Antonino Zichichi ha dichiarato che i ricercatori dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Abruzzo hanno scoperto che il neutrino viaggia più veloce della luce. Subito la notizia è rimbalzata nei media come una pallina di gomma che, in barba all’attrito, a ogni rimbalzo ha acquistato maggiore velocità e slancio.
Il mondo della ricerca ha subito il maggiore scossone, poiché era quasi pronto a diffondere la notizia. I ricercatori dell’esperimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), il progetto internazionale a guida italiana che ha sede all’interno dei LNGS e che ha ricevuto il fascio di neutrini dal CERN di Ginevra, avrebbero voluto dare l’annuncio la notte stessa con un articolo postato su arxiv.org e il giorno seguente in una conferenza pubblica al CERN.

La natura del neutrino
Facciamo un passo indietro e conosciamo meglio il neutrino. Ha una massa? Come può viaggiare a velocità superiori a quelle della luce? Il neutrino, come l’elettrone, è una particella elementare, ma priva di carica elettrica. Fu osservato per la prima volta nel 1956 dai fisici C. Cowan e F. Reines, anche se era stato teorizzato anni prima, nel 1930, dal fisico Wolfgang Pauli per spiegare un’anomalia energetica nel decadimento beta, un processo in cui un neutrone viene convertito in un protone, un elettrone e un antineutrino. Non considerando ancora la presenza del neutrino, Pauli notò che appariva una violazione nella legge di conservazione dell’energia. In fisica però le leggi di conservazione sono difficili da eliminare, per questo motivo Pauli cercò di salvarla, proponendo l’esistenza di una particella neutra e invisibile agli strumenti, in grado di aggiungere quel “tocco” di energia mancante che aggiustava i conti. Le sorgenti di neutrini sono molteplici; sono creati dall’interazione tra i raggi cosmici e l’atmosfera terrestre, nel nucleo del Sole durante le reazioni di fusione termonucleare e nelle esplosioni di supernovae. Si conoscono tre tipi di neutrini: il neutrino elettronico, muonico e tau. È stato poi osservato che, lungo la sua propagazione, il neutrino sembra oscillare, diventando un neutrino elettronico, muonico e tau. La scoperta della sua natura per così dire “evanescente” ha inoltre dimostrato che il neutrino possiede una massa piccolissima: 100.000 o forse un milione di volte inferiore a quella dell’elettrone. Si comprende quindi perché interagisce raramente, il che vuol dire che può attraversare enormi strati di materia senza risentirne minimamente. Per dare l’idea, occorrerebbe un muro di piombo spesso un anno luce (oltre 63.000 volte la distanza tra la Terra e il Sole) per bloccare la metà dei neutrini che lo attraversano. Dopo questa premessa, viene spontaneo chiedersi come faccia l’esperimento OPERA a rivelare i neutrini spediti dal CERN verso i Laboratori del Gran Sasso e a misurarne la velocità.

Come è prodotto il fascio di neutrini nell’esperimento OPERA?
Per avere a disposizione un neutrino bisogna aspettare che una particella ne produca uno in una reazione di decadimento. I neutrini prodotti nell’esperimento OPERA sono neutrini muonici, ottenuti quando un pione positivo, una particella subatomica con carica positiva, decade (o si trasforma) in una particella elementare (antimuone) e un neutrino muonico. Come nella filastrocca “per fare un albero ci vuole…”, per “fare” un neutrino prima mi devo preoccupare di produrre dei pioni positivi. Questo si realizza con poco sforzo: è sufficiente che un fascio di protoni colpisca un bersaglio anch’esso composto da protoni. Nell’urto vengono prodotti i pioni positivi e altre particelle tra le quali il neutrone e il fotone. Risolto un problema se ne presenta subito un altro: come faccio ad ottenere un unico fascio di neutrini? Per ora è come se ci trovassimo davanti ad una zuppa di tanti legumi, mentre noi abbiamo ordinato esclusivamente una zuppa di lenticchie. Semplice, direte voi, li raccogliamo uno per uno. E qui casca l’asino! Qualsiasi azione compiate per cercare di deviarli, i neutrini si faranno sempre beffa di voi e continueranno a seguire la direzione del fascio iniziale. Tornando alla nostra zuppa, bisogna quindi utilizzare un colino, rappresentato da un’azione combinata di campi magnetici e muri che arrestano il cammino delle particelle, che permetta di far passare solo il neutrino. Prima di tutto si utilizza un campo magnetico che separa il pione positivo dalle altre particelle neutre che non ci interessano. Queste termineranno poi la loro corsa contro un muro. In seguito si attende che i pioni decadano in muoni e neutrini e, per finire, si attiva nuovamente un campo magnetico in grado di deviare i muoni. I neutrini ora possono continuare indisturbati il loro viaggio fino ai laboratori del Gran Sasso. Li aspetta un viaggio di circa 730 km.

Come si misura la velocità del neutrino?
Nel record del mondo dei 100 metri piani, l’atleta giamaicano Usain Bolt ha percorso 100 metri in 9,58 secondi, correndo a una velocità media di 10,44 m/s uguale a 37,58 km/h.  La velocità di un qualsiasi oggetto, quindi, si può misurare facendogli percorrere una distanza di cui si conosce la lunghezza e misurando il tempo impiegato dall’oggetto a percorrerla. Sembra di nuovo un procedimento semplice, ma è proprio qui che si riscontrano i maggiori problemi, che portano a dubitare del risultato ottenuto.
Consideriamo la distanza di 730 km che separa il Cern dai LNSG: come è stata misurata? E qual è la precisione nella misura?
La distanza, ottenuta con rilevamenti topografici (quelli usati nei cantieri stradali), è stata misurata con una precisione di 20 cm, quindi il percorso dei neutrini è di 730534.61 ± 0.20 m. Rimangono però molti dubbi su come sia stata condotta questa misura, soprattutto per quanto concerne l’ultimo tratto del percorso che si trova in una caverna nella montagna. A questo si aggiungono gli errori dovuti agli effetti di marea, infatti, l’attrazione lunare è in grado di deformare la crosta terrestre modificando la lunghezza del tratto in questione.
Ma se la misura della distanza presenta dei dubbi, quella del tempo rappresenta l’argomento principale che mette in discussione la misura di velocità ottenuta. I tempi di emissione e di arrivo dei neutrini sono misurati indipendentemente dai due laboratori, questo comporta che ci sia una perfetta sincronizzazione degli orologi. Essa avviene grazie all’utilizzo di due ricevitori GPS, che hanno una precisione di circa 100 ns. I ricercatori di OPERA però sostengono di aver abbassato notevolmente la precisione. Sincronizzati gli orologi, siamo pronti a effettuare la misura. Il primo problema che si presenta è che  solo una parte dei neutrini emessi dal CERN arriva fino al Gran Sasso. Il fascio, infatti, si apre a cono lungo il percorso e quindi, alcuni neutrini cadono oltre l’area delimitata da OPERA.
È impossibile quindi misurare il tempo di percorrenza per il singolo neutrino. Si può però operare una misura del tempo medio impiegato dal “pacchetto” di neutrini emesso dal CERN per giungere fino a OPERA. Risultato: il pacchetto di neutrini sarebbe dovuto arrivare dopo circa 2,4 millesimi di secondo, mentre è stato rilevato con un anticipo di 61 miliardesimi di secondo, ossia per dirla in termini sportivi, il neutrino ha tagliato il traguardo distanziando la luce di circa 18 metri.

La supernova SN1987A
Il 23 febbraio 1987 è stata osservata la supernova SN1987A nella nebulosa di Magellano, ad una distanza di circa 168.000 anni luce dalla Terra. La supernova ha origine dall’esplosione di una stella massiva, una supergigante blu, durante la quale vengono emessi enormi flussi di neutrini. L’osservazione della supernova ha permesso di misurare con estrema precisione la velocità dei neutrini. Infatti, le misure del tempo di volo dei neutrini generati dalla supernova SN1987A sono sicuramente più accurate di quelle dell’esperimento OPERA, poiché la differenza tra i tempi attesi e quelli effettivi è di addirittura qualche anno e non di poche decine di nano secondi come nell’esperimento OPERA. I risultati ottenuti mostrano un valore di velocità inferiore a quello della luce, c’è, però, da sottolineare che anche i neutrini rivelati in quella occasione erano di natura elettronica, mentre i neutrini di OPERA sono muonici, ossia mille volte più energetici dei rispettivi elettronici.
Se fosse vero quanto scoperto da OPERA, dato che la supernova dista 168.000 anni luce, si ricava che i neutrini originati dall’esplosione sarebbero arrivati con un anticipo di 3,36 anni, che non è stato però misurato. Le due misurazioni, dunque, appaiono incongruenti.

Conclusioni
Che siano i neutrini o i fotoni le particelle più veloci, niente cambierebbe nelle leggi della fisica. Il secondo postulato della Teoria della Relatività sostiene che nessun oggetto dotato di massa può viaggiare a velocità uguali o superiori a quella della luce nel vuoto. In altri termini, le particelle che viaggiano a velocità inferiori a quella della luce, note con il nome di bradioni, non possono essere in nessun modo accelerate oltre quel limite, perché per raggiungere tale velocità, richiederebbero un’energia infinita.
La Teoria prevede inoltre l’esistenza dei fotoni, particelle che viaggiano alla velocità della luce, avendo però una massa nulla. E non esclude che esistano particelle (chiamate tachioni) che viaggiano sempre a velocità superiori a quella della luce. Anche per loro la velocità della luce rappresenta un limite invalicabile, ma questa volta inferiore. La Teoria della Relatività considera la luce come uno spartiacque tra il mondo subluminale (più lento della luce) e superluminale (più veloce della luce).
La scienza resta in attesa di ulteriori accertamenti. Se il neutrino fosse in effetti in grado di viaggiare a velocità superiori a quelle della luce, questo non rappresenterebbe il fallimento della Teoria della Relatività, come molti hanno scritto, piuttosto contribuirebbe ad estenderla senza violare le leggi fondamentali, con straordinarie ricadute nel mondo della ricerca cosmologica.

A cura di Simona Romaniello
Astrofisica e divulgatrice scientifica, per il Planetario di Torino si occupa di formazione e di sviluppo e allestimenti museali.

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