0108. Come avviene fisicamente l'oscillazione dei neutrini?

I neutrini sono particelle neutre, prodotte nelle interazioni deboli, come quelle che avvengono all'interno del nucleo del Sole. Essi sono classificati sulla base del “sapore” (elettronico, muonico, tauonico), che corrisponde alla particella carica (elettrone, muone, tauone) con la quale vengono prodotti, oppure che producono a seguito della loro interazione. Per completezza occorre specificare che il muone ed il tauone, al contrario dell'elettrone, sono particelle instabili, nel cui decadimento viene prodotto un neutrino muonico e tauonico, rispettivamente.

Le tre coppie leptoniche, ciascuna composta da una particella carica e da un neutrino, presenti nel Modello Standard delle particelle elementari sono mostrate nella figura sotto.

Per effetto della meccanica quantistica, i neutrini oscillano, ovvero un neutrino di un determinato sapore, dopo aver percorso un tragitto di lunghezza L, ha una probabilità non nulla di cambiare sapore.

Consideriamo per esempio un neutrino elettronico prodotto all'interno del Sole: esso è composto da una miscela di componenti aventi masse diverse (m1,m2,m3):

n(L=0) = ne = Pe1 n1 + Pe2 n2 + Pe3 n3 .

La composizione di questa miscela varia lungo il tragitto, come conseguenza della diversità delle masse delle tre componenti, per cui

n(L) = P1 (L) n1 + P2(L) n2 + P3(L) n3 .

Siccome P1(L) varia con L e sarà in generale diverso da Pe1, come pure le altre due componenti, n(L) sarà diverso dallo stato iniziale ne.

Sfruttando il fatto che ciascuna componente di massa puo' essere espressa in funzione degli stati di sapore, sarà comunque vero che:

n(L) = Pe(L) ne + Pm(L) nm + Pt(L) nt , ovvero dopo aver percorso il tragitto L sarà possibile osservare in neutrino in uno stato di sapore diverso, per esempio muonico.

I coefficienti Pa(L) (a=e,m,t) dipendono oltre che dalla lunghezza del tragitto (più precisamente dal rapporto tra questa e l'energia del neutrino), anche dalle differenze dei quadrati delle masse dei neutrini.

Ad esempio, in figura 1 viene mostrata la probabilità di osservare inalterato, dopo un tragitto L, un neutrino muonico di energia pari ad 1 GeV.

Molti esperimenti hanno osservato il fenomeno delle oscillazioni dei neutrini, prodotti sia da sorgenti naturali (il Sole ed i raggi cosmici interagenti con l'atmosfera terrestre) che artificiali (i reattori nucleari producono antineutrini elettronici, mentre presso centri di ricerca come il CERN, si sanno produrre fasci di neutrini muonici).

Va rimarcato come il fenomeno delle oscillazioni possa avvenire solo se i neutrini hanno delle masse e se queste sono differenti tra loro.

L'evidenza sperimentale delle oscillazioni dei neutrini ci dice dunque che i neutrini hanno certamente massa, anche se le masse dei neutrini non sono state ancora misurate in laboratorio in maniera diretta.

figura 1

Presso i laboratori del Gran Sasso sono in corso, o sono recentemente terminati esperimenti sulle oscillazioni dei neutrini: Borexino (dedicato allo studio dei neutrini solari), OPERA ed ICARUS. Questi ultimi due hanno studiato le oscillazioni mediante un fascio di neutrini inviato dal CERN di Ginevra, tra il 2008 ed 2012. L'esperimento ICARUS è stato recentemente trasportato al FermiLab, negli Stati Uniti, in vista di un esperimento dedicato alla ricerca di un eventuale quarto neutrino, detto sterile in quanto non associato a nessun leptone carico, al contrario degli altri tre.

Ricercatori italiani partecipano, con incarichi di rilievo, anche nei maggiori esperimenti esteri dedicati alla ricerca sulle oscillazioni dei neutrini: SuperKamiokande e T2K (in Giappone), JUNO (in Cina) e Dune (negli Stati Uniti). I primi due sono attualmente in presa dati, mentre gli ultimi due dovrebbero entrare in funzione nel prossimo decennio. 

Alessandro Paoloni, fisico 

per saperne di più guarda il percorso "L'incredibile neutrino"

 ultimo aggiornamento luglio 2019