Siamo sommersi dai neutrini. Sono tra i più leggeri delle circa due dozzine di particelle subatomiche conosciute e vengono da tutte le direzioni: dal Big Bang che ha dato inizio all’universo, dalle stelle che esplodono e, soprattutto, dal sole. Passano direttamente attraverso la terra quasi alla velocità della luce, tutto il tempo, giorno e notte, in numero enorme. Circa 100 trilioni di neutrini passano attraverso il nostro corpo ogni secondo.
Il problema per i fisici è che i neutrini sono impossibili da vedere e difficili da rilevare. Qualsiasi strumento progettato per farlo può sembrare solido al tatto, ma per i neutrini, anche l’acciaio inossidabile è per lo più uno spazio vuoto, tanto aperto quanto un sistema solare lo è per una cometa. Inoltre, i neutrini, a differenza della maggior parte delle particelle subatomiche, non hanno carica elettrica – sono neutri, da cui il nome – quindi gli scienziati non possono usare forze elettriche o magnetiche per catturarli. I fisici li chiamano “particelle fantasma”.
Per catturare queste entità sfuggenti, i fisici hanno condotto alcuni esperimenti straordinariamente ambiziosi. Affinché i neutrini non vengano confusi con i raggi cosmici (particelle subatomiche provenienti dallo spazio esterno che non penetrano la terra), i rivelatori vengono installati in profondità sottoterra. Ne sono stati collocati di enormi nelle miniere d’oro e di nichel, nei tunnel sotto le montagne, nell’oceano e nel ghiaccio antartico. Questi dispositivi stranamente belli sono monumenti alla volontà dell’umanità di conoscere l’universo.
Non è chiaro quali applicazioni pratiche verranno dallo studio dei neutrini. “Non sappiamo dove ci porterà”, dice Boris Kayser, un fisico teorico al Fermilab di Batavia, Illinois.
I fisici studiano i neutrini in parte perché i neutrini sono personaggi così strani: sembrano rompere le regole che descrivono la natura nella sua forma più fondamentale. E se i fisici riusciranno mai a realizzare le loro speranze di sviluppare una teoria coerente della realtà che spieghi le basi della natura senza eccezioni, dovranno rendere conto del comportamento dei neutrini.
Inoltre, i neutrini intrigano gli scienziati perché le particelle sono messaggeri dalle zone esterne dell’universo, create da galassie che esplodono violentemente e altri fenomeni misteriosi. “I neutrini possono essere in grado di dirci cose che le particelle più banali non possono fare”, dice Kayser.
I fisici hanno immaginato i neutrini molto prima di trovarli. Nel 1930, hanno creato il concetto per bilanciare un’equazione che non quadrava. Quando il nucleo di un atomo radioattivo si disintegra, l’energia delle particelle che emette deve essere uguale all’energia che conteneva originariamente. Ma in realtà, gli scienziati hanno osservato che il nucleo stava perdendo più energia di quella che i rilevatori stavano raccogliendo. Così, per rendere conto di quell’energia extra, il fisico Wolfgang Pauli concepì una particella extra, invisibile, emessa dal nucleo. “Oggi ho fatto qualcosa di molto brutto proponendo una particella che non può essere rilevata”, scrisse Pauli nel suo diario. “È qualcosa che nessun teorico dovrebbe mai fare.”
Gli sperimentatori hanno cominciato a cercarla comunque. In un laboratorio di armi nucleari nella Carolina del Sud a metà degli anni ’50, hanno posizionato due grandi serbatoi d’acqua fuori da un reattore nucleare che, secondo le loro equazioni, avrebbe dovuto produrre diecimila miliardi di neutrini al secondo. Il rivelatore era minuscolo per gli standard odierni, ma riusciva comunque a individuare i neutrini: tre all’ora. Gli scienziati avevano stabilito che il neutrino proposto era in realtà reale; lo studio della particella sfuggente accelerò.
Un decennio dopo, il campo si ampliò quando un altro gruppo di fisici installò un rivelatore nella miniera d’oro Homestake, a Piombo, nel Sud Dakota, 4.850 piedi sottoterra. In questo esperimento gli scienziati si prefissarono di osservare i neutrini monitorando ciò che accade nella rara occasione in cui un neutrino si scontra con un atomo di cloro e crea argon radioattivo, che è facilmente rilevabile. Al centro dell’esperimento c’era un serbatoio riempito con 600 tonnellate di un liquido ricco di cloro, il percloroetilene, un fluido usato nel lavaggio a secco. Ogni pochi mesi, gli scienziati sciacquavano il serbatoio ed estraevano circa 15 atomi di argon, prova di 15 neutrini. Il monitoraggio è continuato per più di 30 anni.
Sperando di rilevare neutrini in numero maggiore, gli scienziati in Giappone hanno condotto un esperimento a 3.300 piedi sottoterra in una miniera di zinco. Super-Kamiokande, o Super-K come è conosciuto, è entrato in funzione nel 1996. Il rivelatore consiste in 50.000 tonnellate d’acqua in un serbatoio a cupola le cui pareti sono coperte da 13.000 sensori di luce. I sensori rilevano l’occasionale lampo blu (troppo debole per i nostri occhi) fatto quando un neutrino si scontra con un atomo nell’acqua e crea un elettrone. E tracciando l’esatto percorso dell’elettrone nell’acqua, i fisici hanno potuto dedurre la fonte, nello spazio, del neutrino in collisione. La maggior parte, hanno scoperto, proveniva dal sole. Le misurazioni erano sufficientemente sensibili che Super-K poteva tracciare il percorso del sole attraverso il cielo e, da quasi un miglio sotto la superficie della terra, guardare il giorno trasformarsi in notte. “È davvero una cosa eccitante”, dice Janet Conrad, un fisico del Massachusetts Institute of Technology. Le tracce delle particelle possono essere compilate per creare “una bella immagine, l’immagine del sole in neutrini.”
Ma gli esperimenti Homestake e Super-K non hanno rilevato così tanti neutrini come i fisici si aspettavano. La ricerca al Sudbury Neutrino Observatory (SNO, pronunciato “neve”) ha determinato il perché. Installato in una miniera di nichel a 6.800 piedi di profondità in Ontario, SNO contiene 1.100 tonnellate di “acqua pesante”, che ha una forma insolita di idrogeno che reagisce relativamente facilmente con i neutrini. Il fluido si trova in un serbatoio sospeso all’interno di un’enorme palla acrilica che si trova all’interno di una sovrastruttura geodetica, che assorbe le vibrazioni e sulla quale sono appesi 9.456 sensori di luce – il tutto assomiglia a una decorazione per l’albero di Natale alta 30 piedi.
Gli scienziati che lavorano a SNO hanno scoperto nel 2001 che un neutrino può spontaneamente passare tra tre diverse identità – o come dicono i fisici, oscilla tra tre sapori. La scoperta ha avuto implicazioni sorprendenti. Per prima cosa, ha mostrato che gli esperimenti precedenti avevano rilevato molti meno neutrini di quanto previsto perché gli strumenti erano sintonizzati solo su un sapore di neutrino – il tipo che crea un elettrone – e mancavano quelli che cambiavano. D’altra parte, la scoperta ha rovesciato la convinzione dei fisici che un neutrino, come un fotone, non ha massa. (Oscillare tra i sapori è qualcosa che solo le particelle con massa sono in grado di fare.)
Quanta massa hanno i neutrini? Per scoprirlo, i fisici stanno costruendo KATRIN, il Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment. Il business end di KATRIN vanta un dispositivo da 200 tonnellate chiamato spettrometro che misurerà la massa degli atomi prima e dopo il loro decadimento radioattivo, rivelando così quanta massa si porta via il neutrino. I tecnici hanno costruito lo spettrometro a circa 250 miglia da Karlsruhe, Germania, dove l’esperimento opererà; il dispositivo era troppo grande per le strade strette della regione, così è stato messo su una barca sul fiume Danubio e ha galleggiato oltre Vienna, Budapest e Belgrado, nel Mar Nero, attraverso l’Egeo e il Mediterraneo, intorno alla Spagna, attraverso il Canale della Manica, a Rotterdam e nel Reno, poi a sud verso il porto fluviale di Leopoldshafen, Germania. Lì è stato scaricato su un camion e ha attraversato la città fino alla sua destinazione, due mesi e 5.600 miglia dopo. È previsto che inizi a raccogliere dati nel 2012.
Fisici e astronomi interessati alle informazioni che i neutrini dallo spazio esterno potrebbero portare sulle supernove o sulle galassie in collisione hanno istituito dei “telescopi” di neutrini. Uno, chiamato IceCube, è all’interno di un campo di ghiaccio in Antartide. Quando sarà completato, nel 2011, sarà composto da più di 5.000 sensori di luce blu (vedi schema sopra). I sensori non sono puntati verso il cielo, come ci si potrebbe aspettare, ma verso la terra, per rilevare i neutrini dal sole e dallo spazio esterno che arrivano attraverso il pianeta da nord. La terra blocca i raggi cosmici, ma la maggior parte dei neutrini attraversa il pianeta largo 8.000 miglia come se non ci fosse.
Un esperimento sui neutrini a lunga distanza si sta svolgendo sotto diversi stati del Midwest. Un acceleratore ad alta energia, che genera particelle subatomiche, spara fasci di neutrini e particelle correlate fino a sei miglia di profondità, sotto l’Illinois settentrionale, attraverso il Wisconsin e nel Minnesota. Le particelle partono dal Fermilab, come parte di un esperimento chiamato Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS). In meno di tre millesimi di secondo, colpiscono un rivelatore nella miniera di ferro di Soudan, a 450 miglia di distanza. I dati che gli scienziati hanno raccolto complicano il loro quadro di questo mondo infinitesimale: ora sembra che forme esotiche di neutrini, i cosiddetti anti-neutrini, potrebbero non seguire le stesse regole di oscillazione degli altri neutrini.
“La cosa bella”, dice Conrad, “è che non è quello che ci aspettavamo.”
Quando si tratta di neutrini, molto poco lo è.
L’ultimo libro diAnn Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, riguarda lo Sloan Digital Sky Survey, uno sforzo per mappare l’universo.
