2. Decadimento beta e conservazione dell'energia

di Paolo Lenisa

Si scoprì successivamente che gli isotopi (nuclei con lo stesso numero di protoni ) che contengono un elevato numero di neutroni tendono ad essere instabili [37] , cioè a “decadere” trasformandosi in nuclei diversi. Il neutrone, ad esempio, si può trasformare spontaneamente in un protone emettendo un elettrone, rispettando la legge di conservazione della carica elettrica :

n⁰ = p⁺ + e^-

Esisteva, però un aspetto sconcertante nel decadimento: elettrone e protone emergevano con energia inferiore a quella aspettata. L’energia si conserva, ma si può trasformare tra varie forme: potenziale , cinetica , chimica, calore. A queste possibilità, Einstein aveva aggiunto quella di convertire energia in massa e viceversa secondo la relazione E = mc².

Il neutrone ha una massa leggermente superiore a quella del protone. Per la relazione di Einstein, l’energia rilasciata nel decadimento è:

E= m_neutrone c² – [m_protone c²+m_elettrone c²] > 0

Questa energia in eccesso che avrebbe dovuto manifestarsi in energia cinetica di protone ed elettrone, sembrava invece scomparire nel nulla. Ad accentuare il mistero, c’era l’evidenza che nemmeno le quantità di moto del protone e dell’elettrone emergenti dal decadimento si sommavano in modo corretto. Il principio di conservazione della quantità di moto predice infatti che se un neutrone si dividesse in due particelle, queste dovrebbero viaggiare in direzioni opposte lungo la stessa retta. Il protone e l’elettrone emergevano invece formando un angolo tra loro, come se al decadimento partecipasse una terza particella invisibile. Questa particella doveva essere senza carica e senza massa. Nell’imbarazzante alternativa di abbondonare i principi di conservazione dell’energia e della quantità di moto, il fisico austriaco Wolfgang Pauli ipotizzò l’esistenza di una particella invisibile nel 1931. Fu Enrico Fermi a battezzarla con il nome di neutrino per distinguerla dal neutrone, già noto.

Postulare l'invisibile L’invocazione di qualcosa di invisibile e sconosciuto per far quadrare i conti non era senza precedenti in fisica: ad esempio, nel 1840 il matematico francese Le Verrier ipotizzò l'esistenza di un pianeta sconosciuto per spiegare le anomalie del movimento di Urano. Il pianeta fu poi effettivamente scoperto nel 1846 e chiamato Nettuno. Questo non può distoglierci dall’evidenziare come l’ipotesi dell'esistenza del neutrino rappresentò un fenomenale e non scontato atto di fiducia nei confronti dei principi di conservazione dell'energia e della quantità di moto. Si pensi che nello stesso periodo in cui Pauli postulava l’esistenza del neutrino, Niels Bohr , uno dei più grandi fisici nucleari del tempo, affermò: «Nello stadio attuale della teoria nucleare possiamo dire che non disponiamo di argomentazioni, empiriche o teoriche, per difendere il principio di conservazione dell'energia nel caso delle disintegrazioni con emissione di raggi β; anzi il tentare di farlo ci conduce a complicazioni e difficoltà ». Era evidente che la nuova particella doveva avere delle caratteristiche assolutamente uniche per sfuggire completamente all'osservazione. In particolare il neutrino doveva essere praticamente incapace di interagire con il resto della materia. Scoprire una particella che non interagisce con il mondo che la circonda era un'impresa disperata e Pauli ne era consapevole. In un’occasione, quasi pentendosi di avere proposto un'ipotesi che sconfinava nel metafisico, ebbe modo di dire: «Ho fatto una cosa terribile: ho postulato l'esistenza di una particella che non può essere rivelata». Anche altri due fisici nucleari dell'epoca, Hans Bethe e Rudolph Peierls , dopo avere fatto alcuni conti, confermarono con sicurezza: «Non si riuscirà mai a vedere un neutrino!».