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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 Comments

  1. Ilia ha detto:

    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.

    • daniele ha detto:

      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 …

      • Ilia ha detto:

        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?

        • daniele ha detto:

          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!

          • Ilia ha detto:

            Si sen­tia­mo­ci pure via email, mi puoi con­tat­ta­re a iliamusco@gmail.com

            Ah Franz… quan­d’è che ti rica­pi­ta di ave­re un car­teg­gio del gene­re tra fisi­ci sul tuo blog?!!

            :hat:

  2. Fede ha detto:

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

    • daniele ha detto:

      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 🙂