I NEUTRINI

Il Neutrino è una particella subatomica elementare di massa piccolissima e carica elettrica nulla, appartenente al gruppo dei Leptoni e alla famiglia dei Fermioni. Possiede Spin uguale a -1.

Il nome fu coniato da Edoardo Amaldi durante una conversazione con Enrico Fermi all’Istituto di Fisica di via Panisperna a Roma, come diminutivo scherzoso della parola Neutrone, altra particella neutra molto più massiccia. Il termine fu poi adottato da Fermi in una conferenza a Parigi nel luglio 1932 e al congresso Solvay del 1933, dove fu utilizzato anche da Wolfgang Pauli, e da lì si diffuse nella Comunità Scientifica Internazionale.

I Neutrini interagiscono solo con la Forza Nucleare Debole e la Forza Gravitazionale, non risentendo né dell’Interazione Forte né dell’Interazione Elettromagnetica. Dopo esserne stato considerato per lungo tempo privo, alcuni esperimenti hanno mostrato che ha una massa da 100.000 a 1 milione di volte inferiore a quella dell’Elettrone.

È tuttora ignoto se il Neutrino sia uguale alla sua antiparticella, l’Antineutrino; se così fosse il Neutrino sarebbe un Ffermione di Majorana.

L’esistenza del Neutrino venne postulata nel 1930 da Wolfgang Pauli per spiegare lo spettro continuo del Decadimento Beta. Fu studiato anche da Enrico Fermi nel 1934 ma scoperto solo 22 anni dopo, nel 1956, dai Fisici Clyde Cowan e Fred Reines nel corso di un noto esperimento eseguito al Reattore a Fissione di Savannah River, che mostrò reazioni indotte proprio da Neutrini liberi.

L’interesse di porre tutto l’apparato presso questo tipo di Reattore è che esso è una fonte molto importante di Antineutrini: durante la fissione nucleare si sviluppano molti Neutroni, i quali decadono emettendo Antineutrini:

(cioè un Neutrone decade emettendo un Protone, un Elettrone ed un Neutrino).

 

Si conoscono tre "Famiglie" (o "Sapori") di Neutrini detti Neutrino Elettronico, Neutrino Muonico e Neutrino Tauonico: ogni tipo di Neutrino è associato alla particella Leptonica Elettrone, Muone e Tau.

I tre tipi di Neutrino sono soggetti ad un fenomeno interessantissimo chiamato "Oscillazioni di Sapore" per cui, in certe condizioni, i Neutrini si possono trasformare l’uno nell’altro: l’esistenza di questo fenomeno implica il fatto che i Neutrini devono avere una massa, seppur piccolissima, diversa tra loro.

Tra gli esperimenti che hanno contribuito all’affermazione dell’esistenza di questo fenomeno Gallex/GNO è stato in funzione ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso nel periodo 1991 -2002.

Gallex/GNO ha dimostrato che i Neutrini solari rivelati erano molti di meno (circa il 55%) rispetto a quelli attesi dai modelli teorici. Questo deficit è stato spiegato con l’esistenza delle oscillazioni per cui una parte dei Neutrini, che nascono di tipo Elettronico nel Sole, durante il percorso Sole-Terra, cambiano tipo, diventando non più rivelabili dall’esperimento.

Ogni particella possiede una corrispondente antiparticella: così per ogni Neutrino esiste il corrispondente Antineutrino; in tutto abbiamo quindi sei tipi di Neutrini:

 

In ogni secondo ogni oggetto sulla Terra (compresi noi stessi) è attraversato da molti miliardi di Neutrini; tuttavia quasi nessuno di questi Neutrini viene catturato.

Le sorgenti di Neutrini sono molteplici:

1. Neutrini Terrestri

All’interno della Terra sono presenti Minerali contenenti Elementi radioattivi quali l’Uranio e il Torio; i Nuclei di questi Elementi decadono emettendo energia sotto forma di calore, e Antineutrini Elettronici. L’energia prodotta dalla Radioattività naturale all’interno della Terra corrisponde a circa 20.000 Centrali Elettriche da 1 GigaWatt e contribuisce a mantenere incandescente il Nucleo e il Mantello Terrestre. I Neutrini prodotti sfuggono dalla Terra verso lo spazio. La rivelazione dei Neutrini Terrestri è estremamente importante per comprendere quanto e come la Radioattività naturale sia determinante per gli equilibri del nostro Pianeta.


2. Neutrini atmosferici

L’atmosfera Terrestre è bombardata dai cosiddetti Raggi Cosmici, particelle cariche (in prevalenza Protoni) di alta energia che si muovono nello spazio. Quando i Raggi Cosmici penetrano nell’atmosfera, collidono con i Nuclei degli Atomi e innescano delle reazioni durante le quali vengono prodotte molte particelle secondarie che, decadendo, originano Neutrini e Antineutrini (prevalentemente Elettronici e Muonici). I Neutrini atmosferici sono studiati da molti anni e hanno permesso di evidenziare il fenomeno delle Oscillazioni di Sapore.


3. Neutrini Solari

Una grande quantità di Neutrini Elettronici viene prodotta all’interno delle Stelle e in particolare del Sole; i Neutrini vengono emessi nel Nucleo del Sole durante le reazioni di Fusione Termonucleare responsabili della produzione dell’energia, e fuoriescono giungendo fino alla Terra. Il Sole quindi, oltre ad essere una potente sorgente di luce e calore, è anche una potente sorgente di Neutrini. Lo studio dell’energia e del numero dei Neutrini Solari è fondamentale per la comprensione dei processi Fisici che fanno funzionare il Sole. Vari esperimenti sono stati in grado di misurare i Neutrini Solari prodotti in molte Reazioni Termonucleari del Sole. Gli esperimenti sui Neutrini Solari hanno evidenziato per primi la presenza del fenomeno delle Oscillazioni di Sapore dei Neutrini, che subiscono una sorta di amplificazione all’interno della materia Solare.


4. Neutrini da esplosioni di Supernovae

I Neutrini prodotti da tutte le altre Stelle tranne il Sole giungono alla Terra con una intensità molto debole a causa della enorme distanza che ci separa dalle Stelle; di conseguenza risulta pressoché impossibile distinguerli dai Neutrini Solari. È un po’ come se tentassimo di osservare la luce proveniente dalle Stelle durante il giorno. Nel caso dei Neutrini infatti non esiste "notte" poiché la Terra è trasparente ai Neutrini stessi. Un’eccezione è costituita dall’esplosione delle Supernovae, Stelle massive che dopo aver esaurito il loro combustibile Nucleare collassano ed esplodono. Esse emettono una enorme quantità di energia sotto forma di luce, materia, ed anche di Antineutrini. Se la Supernova esplode nella nostra Galassia la quantità di Neutrini emessa è talmente alta da raggiungere la Terra con una intensità rilevante. Questi Neutrini vengono emessi in un unico fiotto che dura una decina di secondi, e contengono informazioni importantissime sul meccanismo con cui avviene l’esplosione. In occasione dell’esplosione della Supernova extragalattica nella Grande Nube di Magellano avvenuta nel 1987 (Supernova SN1987A) si sono catturati per la prima volta una ventina di Neutrini emessi in queste "Catastrofi Cosmiche". Gli esperimenti attualmente in funzione consentono di rivelare un numero di Neutrini da Supernova molto più grande ma... ...bisogna avere un po’ di fortuna: infatti il numero di esplosioni di Supernovae Galattiche è di solo una ogni 30 anni in media.


5. Neutrini Fossili

Si ritiene che pochi istanti dopo la nascita dell’Universo (Big-Bang) siano stati prodotti un enorme numero di Neutrini e Antineutrini di ogni Sapore, che sono sopravvissuti fino ad oggi diminuendo via via la loro energia a causa dell’espansione dell’Universo stesso. Essi si propagano in ogni direzione all’interno dell’Universo con una densità di circa 300 per Centimetro Cubo.  L’energia di questi Neutrini Fossili è ora estremamente bassa, meno di un miliardesimo di quella dei Neutrini Solari. Per questo motivo attualmente sembra praticamente impossibile catturare questi Neutrini.


I Neutrini possono anche essere prodotti artificialmente dall’uomo; tra le sorgenti artificiali di Neutrini:

    Neutrini da Acceleratori di particelle

Gli Acceleratori di particelle sono in grado di produrre e accelerare particelle cariche (tipicamente Protoni, Elettroni o Nuclei atomici). Facendo collidere i Protoni accelerati da un Acceleratore con uno strato compatto di materiale si riescono a produrre particelle che decadendo originano Neutrini e/o Antineutrini di diversi Sapori.

In questo modo sono stati prodotti i Neutrini artificiali per il progetto CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) che prevedeva l’invio di un fascio di Neutrini artificiali dal CERN di Ginevra ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Lo scopo del progetto era quello di conoscere la natura dei Neutrini attraverso l’osservazione ai LNGS dell’apparizione dei Neutrini Tau in un fascio di Neutrini Muonici (Oscillazione). Una parte di questi ultimi, infatti, inviati da un acceleratore distante 732 km al CERN, durante il loro percorso fino ai LNGS oscillavano e si trasformavano in Neutrini di tipo Tau.

    Neutrini da Reattori Nucleari

Durante le reazioni di Fissione Nucleare che avvengono all’interno di un Reattore Nucleare vengono prodotti, oltre a Neutroni e altri prodotti di fissione, anche Antineutrini Elettronici. Ogni Reattore Nucleare è quindi una sorgente di Antineutrini Elettronici.