Più veloci della luce: i neutrini e Ettore Majorana - By Daniele - Franz's Blog

Più veloci della luce: i neutrini e Ettore Majorana – By Daniele

La storia dei neutrini è una storia lunga quasi un secolo. La loro esistenza fu postulata per la prima volta dal brillante fisico asutriaco W. Pauli nell’ormai lontano 1930. L’introduzione di questa nuova particella serviva  infatti a  spiegare alcune caratteristiche peculiari del decadimento del neutrone, detto decadimento beta.

Già perché in natura, il neutrone, che insieme al protone compone tutta la materia che ci circonda e anche noi stessi, se isolato dall’atomo, decade spontaneamente in un protone, un elettrone ed un anti-neutrino (l’antiparticella del neutrino) in un poco meno di 15 minuti! Questo accade perché, se si escludono i sistemi viventi, la natura tende sempre spontaneamente alla configurazione di minima energia e dato che il neutrone ha una massa-energia maggiore della somma dei suoi costituenti, se isolato decade spontaneamente in questo modo!

La loro effettiva esistenza venne poi  confermata sperimentalmente nel 1956 in un famoso esperimento eseguito da Reines e Cowan…. Da allora di strada se ne è fatta moltissima, oggi ad esempio sappiamo che i neutrini sono tra le particelle più inafferrabili della natura! Per avere un’idea di che cosa questo significhi, basti pensare che ogni secondo, su ogni cm2 del nostro corpo, arrivano qualcosa come 100 miliardi di neutrini dal Sole! Immaginate ora di moltiplicare questo numero per tutta la superficie della Terra e avrete un’idea dell’incredibile quantità  di neutrini che ogni secondo raggiungono il nostro pianeta! (qualcosa come 100 miliardi di miliardi di miliardi di neutrini al secondo, più di tutte le stelle dell’universo!!!)

Cosa ancora più sorprendente è pensare che solo una piccola frazione di essi viene bloccata attraversando il nostro pianeta, la maggior parte infatti lo oltrepassa quasi come fosse spazio vuoto (senza bisogno che qualcuno ci scavi in mezzo un bel tunnel … )

 Nonostante queste grandi difficoltà di rilevazione, negli ultimi 30 anni sono stati realizzati esperimenti sempre più sofisticati e precisi in grado di svelarne alcuni segreti.

Oggi ad esempio sappiamo che esistono 3 famiglie di neutrini (elettronici, muonici e tauonici) che insieme ai 3 leptoni fondamentali e ad essi associati (elettrone, muone e tauone) ed ai 6 quark, costituiscono le particelle elementari note, ovvero i mattoncini di base che formano la materia così come la conosciamo.

E arriviamo finalmente ai giorni nostri, con il famoso esperimento realizzato dagli scienziati dell’INFN e del CERN di Ginevra, il cui scopo principale era quello di misurare un fenomeno molto particolare e previsto a livello teorico,  detto oscillazione dei neutrini.

Come però a volte accade nella scienza moderna e in parte anche nella nostra vita quotidiana, quando cerchiamo qualcosa, spesso ci imbattiamo in scoperte del tutto inaspettate … E questo è proprio ciò che è successo ai ricercatori  impegnati nell’esperimento OPERA, che dopo più di 3 anni di raccolta dati e circa 16000 eventi registrati sembrano essersi imbattuti (se i risultati dovessero essere confermati anche da altri esperimenti) in una delle più grandi scoperte dell’ultimo secolo.

Senza voler entrare nei dettagli dell’esperimento, per altro molto complessi, basti dire che fino ad oggi i dati sono stati analizzati più e più volte, tutte le fonti di possibili errori nella misura sono state prese in dovuta considerazione ma, nonostante queste analisi, i dati sembrano proprio confermare il fatto che i neutrini in arrivo dal CERN impiegherebbero 60 nsec (60 miliardesimi di sec) in meno a percorrere i 730 Km di rocce che separano i due laboratori, rispetto alla luce nel vuoto!

In altre parole i neutrini avrebbero viaggiato ad una velocità superiore a quella della luce! (link http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1109/1109.4897.pdf)

Per quanto questa quantità possa sembrare “piccola” è comunque 6 volte superiore all’incertezza statistica sulla misura che è di circa 10 nsec (questo mettendo assieme tutte le incertezze strumentali…)

Nonostante questo dato non lasci molto spazio a dubbi, vista però l’importanza e la portata della scoperta, sarà importante aspettare che anche altri esperimenti confermino questo comportamento apparentemente anomalo dei neutrini. Se infatti venisse confermata la possibilità, per queste e forse altre particelle, di poter superare in determinate condizioni la velocità della luce nel vuoto, verrebbe automaticamente infranto uno dei “santi graal” della fisica moderna, ovvero la costanza della velocità della luce come limite massimo ed invalicabile! 

Questo con una serie di importantissime conseguenze per la nostra visione dell’universo! Tenendo conto che tutta la fisica dell’ultimo secolo (relatività e meccanica quantistica) si basano proprio su questo postulato, si comprende da subito la portata che una simile scoperta potrebbe avere; si aprirebbero  letteralmente strade del tutto nuove, nuovi orizzonti ancora tutti da esplorare…

 Ora, la cosa interessante è però sapere che questa possibilità era già stata in parte predetta da un nostro grande connazionale, Ettore Majorana, figlio della grande scuola di fisica di via Panisperna di Enrico Fermi.

Ettore infatti predisse in una sua elegante teoria, che certe particelle, in determinate condizioni, potessero assumere una massa “immaginaria” e quindi poter superare la barriera della velocità della luce.  Secondo questa originale teoria i neutrini, costretti a percorrere la densa struttura della crosta terrestre, alle altissime energie prodotte da LHC, potrebbero interagire (seppur debolmente) con la materia circostante e assumere una massa “effettiva” negativa, il che permetterebbe il superamento del limite di C, fissato per particelle a massa nulla, come i fotoni, o inferiore, per particelle dotate di massa, come ad es. l’elettrone.

Questo fatto non renderebbe automaticamente “errate” le teorie fisiche e le ricerche fatte da migliaia di fisici in tutto il mondo,  per altro convalidate da una serie impressionante di dati sperimentali, ma semplicemente aprirebbe la strada a nuove possibilità, prima non contemplate.

Sotto queste ipotesi sarebbe quindi possibile che certe particelle,  come ad es. i neutrini, in determinate condizioni (alte energie ed attraversamento di un mezzo denso),  potrebbero  effettivamente propagarsi a velocità super-luminari e assumere in questo senso un carattere “tachionico” (particelle a massa negativa e super-luminari), per poi riassumere un andamento del tutto in linea con la teorie tradizionali in mezzi poco densi e ad energie inferiori. (link http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1109/1109.5445v3.pdf)

Questa ipotesi sarebbe inoltre in accordo con i dati astrofisici raccolti nel 1987 dai neutrini in arrivo dalla SuperNova SN1987a, nella Grande Nube di Magellano, che giunsero ai rilevatori sulla Terra in ritardo rispetto all’emissione x e gamma dell’esplosione, e che quindi si propagarono ad una velocità inferiore a quella della luce, proprio perché in moto nello spazio “vuoto” interstellare.

I neutrini potrebbero però giocare un ruolo molto importante e inaspettato nelle fasi iniziali di esplosione stellare ( addirittura favorendone l’esplosione, dato che all’interno della struttura stellare potrebbero propagarsi a velocità super-luminare),  così come nelle prime fasi evolutive dell’universo, quando esso era estremamente denso e caldo.

Attualmente  sono in corso di realizzazione in tutto il mondo numerosi nuovi esperimenti di fisica particellare e delle alte energie e sicuramente nei prossimi anni ne vedremo delle belle.

La storia ci insegna infatti che le grandi scoperte sono sempre dietro l’angolo, l’importante è non spegnere mai la mente e mantenere viva quella curiosità tipica del bambino che vede ed esplora il mondo per la prima volta.

Solo in questo modo, con una mente ed un cuore sempre ben aperti e “liberi”, sarà possibile conoscere un po’ meglio questo nostro strano ed affascinante universo … ed ampliare, magari a volte in modo inaspettato, i limiti delle nostre conoscenze..!

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7 risposte a Più veloci della luce: i neutrini e Ettore Majorana – By Daniele

  • L’articolo è molto bello e scritto in maniera chiara, ma su due punti da fisico non posso non fare delle osservazioni:

    1. Il fatto che la misura di 6 sigma dell’esperimento opera non dia adito a dubbi sulla possibilità di errore è un’affermazione esagerata. Esperimenti di questo tipo sono così delicati che, per quanto sicuramente sia stato fatto con molta cura, valutando tutte le fonti di errori sistematici, è sicuramente necessario la verifica di un altro laboratorio indipendente prima di essere certi che il risultato sia genuino e non frutto di qualche errore sfuggito all’analisi. Capisco l’entusiasmo di chi ha fatto l’esperimento ma “è ancora troppo presto per cantare vittoria”.

    2. Anche se il risultato venisse confermato da un altro esperimento, non sono d’accordo sul fatto che avrebbe di per se stesso grandi implicazioni teoriche. Il fatto che la velocità della luce non sia una costante invalicabile è qualcosa che i fisici stanno cercando di capire da diverso tempo, ma c’è bisogno di una misurazione che vada ben oltre i 60 nanosecondi per avere delle implicazioni reali. Una differenza così piccola penso rientrerebbe tranquillamente all’interno di una fluttuazione quantistica che da un punto di vista classico non scalfirebbe quindi la barriera della luce. Con questo non voglio dire che l’esperimento non vada nella giusta direzione, ma c’è bisogno di un risultato più eclatante per poter affermare ciò. Al momento l’esperimento OPERA apre semplicemente un’affascinante possibilità da esplorare.

    • Ciao Ila, innanzitutto grazie per i complimenti e per le osservazioni…
      Come hai fatto giustamente osservare, l’esperimento è sia dal punto di vista tecnico-strumentale che da quello delle misure molto complesso e delicato …

      Per questa ragione, prima di tutto, sarà fondamentale poter verificare questi dati anche in altri esperimenti, proprio per escludere possibili errori sistematici o altre possibili fonti di errore non considerate.

      A favore dell’esperimento vi sono però i 15000 eventi registrati, che forniscono di per sé una buona statistica ed i 60nasec di anticipo del picco di neutrini sul segnale atteso che va pesato sui 2.4 millisecondi che il fascio impiega a coprire la distanza tra i due laboratori, il che si traducurrebbe in circa 7km/sec in più rispetto alla velocità della luce.

      Sono comunque d’accordo con te nel dire che prima di tutto occorrerà verificare bene i dati e avere altre evidenze sperimentali di questo comportamento (se effettivamente verrà confermato o meno …)

      Mentre per quanto riguarda le possibili implicazioni fisiche, nel caso in cui questi dati dovessero essere confermati, sarebbe sicuramente interessante analizzarne le conseguenze in ambito cosmologico, durante le fase iniziali quando l’universo era molto caldo e denso ed i neutrini prodotti in abbondanza e di alta energia …

      • Ciao Daniele, i lettori del blog mi scuseranno, la questione è un po’ tecnica, ma sarebbe interessante applicare il principio di indeterminazione all’esperimento e mi chiedo se non lo abbiano già fatto. Sarebbe interessante cioè moltiplicare la differenza dell’impulso (cioè i 7 km/s a cui accenni per la massa del neutrino che è piccolissima) per l’errore nella misura dello spazio percorso e vedere se si ottiene un valore superiore alla costante di Planck, altrimenti siamo dentro il principio di indeterminazione e l’esperimento in se da un punto di vista classico non ha molto significato. Oppure mi sfugge qualcosa?

        • Ciao Ila! Si ho capito quello che vuoi dire e sono d’accordo con la tua analisi… a questo punto però bisognerebbe disporre di tutti i dati, compresa la massa dei neutrini, che però è nota solo come limite superiore, mi sembra < 170KeV/c2 per il mu e <15 MeV/c2 per i tauonici … temo però che l’attuale incertezza sulle masse dei neutrini comprometterebbe l’analisi per verificare se si è dentro o meno il principio di indeterminazione … questo a naso … vedrò comunque di cercare un po’ di materiale per valutare la cosa … che come dici te, sarebbe importantissima per stabilire se si è dentro o meno possibili fluttuazioni quantistiche …
          P.S. se ti va potremmo continuare la discussione in un altro spazio, per non disturbare troppo gli altri lettori, cosa ne dici? A me farebbe molto piacere! (intanto abbiamo il contatto su FB..) A presto e buone cose!

  • Ciao Daniele, ho capito bene che i neutrini per potere propagarsi a velocità super-luminare, hanno bisogno di un mezzo?!

    • Ciao Fede, il condizionale è d’obbligo, prima occorre aspettare che questi dati vengano o meno
      confermati anche in altri esperimenti e se sarà così, allora si inizierà a studiarci sopra.
      È possibile comunque che questo effetto possa verificarsi in presenza di un mezzo denso, come la
      crosta terrestre, mentre nel vuoto essi si muoverebbero ad una velocità inferiore a quelle della
      luce… (questo almeno secondo quanto proposto da alcuni ricercatori dell’università di Padova riprendendo le ipotesi di Majorana, trovi il link qui http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1109/1109.5445v3.pdf 🙂

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