Il rivelatore Super-Kamiokande utilizzato nell’esperimento T2K per la registrazione di neutrini e antineutrini.
C’è una domanda che, più delle altre, arrovella i cosmologi e i fisici delle alte energie, ed è forse una delle più semplici, più immediate (per loro, ovviamente): perché esiste l’asimmetria barionica? Traducendo per noi poveri mortali, la domanda diviene più intellegibile: perché nell’universo, sin dalle primissime fasi del Big Bang, si osserva più materia che antimateria?
A pensarci bene, la risposta implica la nostra stessa esistenza: se le quantità fossero state uguali, materia e antimateria si sarebbero subito annichilate in un tripudio di energia ed effetti speciali, lasciando in eredità all’Universo solo fotoni e materia oscura e liberandolo dalla nostra ingombrante presenza.
Come spesso accade, quindi, le domande più semplici sono quelle che ti fregano. In effetti, ancora non si sa come rispondere, ma alcuni recenti esperimenti stanno forse indicando la giusta direzione. Cerchiamo di capirne di più.
Come detto, se gli attuali modelli sono corretti, all’atto del Big Bang la “sintesi” di materia e antimateria (una materia con proprietà fisiche opposte a quelle della materia stessa) avrebbe dovuto essere uguale, ma oggi si stima una “particella di antimateria” ogni 10 miliardi di “particelle di materia”. Il perché di ciò è frutto di speculazioni da decine d’anni, ed ora la via per la soluzione sembra essere aperta dai neutrini.
Raccontiamone brevemente la storia, con l’avvertenza che in questo viaggio saremo accompagnati dalle più grandi menti della fisica del ‘900.
Il modello standard delle particelle elementari (fonte: Fehling, Dave: The Standard Model of Particle Physics: A Lunchbox’s Guide, The Johns Hopkins University).
Il decadimento beta
All’inizio degli anni ’30 del ‘900, il mondo era alle prese con la scoperta della radioattività ed il tentativo di imbrigliarla. Marie Sklodowska Curie (sono sicuro che la prenderebbe male se la menzionassi solo come Marie Curie) aveva da pochi anni scoperto il polonio ed il radio quando Wolfgang Pauli ed Enrico Fermi si resero conto che nel decadimento beta degli elementi radioattivi mancava qualcosa. Il decadimento beta, per farla (molto) semplice, è una vera e propria reazione nucleare nella quale un atomo radioattivo instabile si trasforma in un certo lasso di tempo (tempo di decadimento) in un altro con diverso numero atomico ed energia inferiore, emettendo radiazioni ionizzanti e seguendo il principio di conservazione dell’energia e il principio di conservazione della quantità di moto.
Per quanto riguarda il decadimento beta, ne esistono di due tipi. Semplificando (molto, anche in questo caso), il beta(-) coinvolge nuclei che hanno un eccesso di neutroni, che si trasformano nel loro isobaro con emissione di un elettrone e di un antineutrino elettronico, il beta(+) quelli che hanno un difetto di neutroni, che si trasformano nel loro isobaro con emissione di un positrone e di un neutrino elettronico.
Ma questo lo sappiamo adesso…
La vasca d’acqua dell’esperimento di Reines e Cowan per la scoperta del neutrino. La logica di questo esperimento (una vasca d’acqua contenente dei fotomoltiplicatori) viene utilizzata ancora oggi. Un esempio è proprio il Super-Kamiokande in copertina…
La scoperta del neutrino
Marie Sklodowska Curie non si accorse che il decadimento beta(-) prevedeva la presenza di tre corpi, ma lo imputò alla sola emissione di un elettrone. Come detto, fu Pauli che si rese conto che qualcosa doveva mancare se si voleva tener fede ai due principi sopra menzionati, e fu Fermi ad indicare in una particella fino a quel momento sconosciuta, il neutrino appunto, questa mancanza. Quando dicevo che saremmo stati accompagnati dalle più grandi menti della fisica del ‘900 non scherzavo: 4 premi Nobel in tre…
Una ventina d’anni ancora e Reines e Cowan, utilizzando una fonte mastodontica di neutrini, un reattore nucleare, ne evidenziarono la presenza. In un esperimento la cui logica è utilizzata ancora oggi (una vasca d’acqua e tubi fotomoltiplicatori), essi verificarono il decadimento beta inverso: l’antineutrino elettronico prodotto dal decadimento beta(-), urtando un protone di una delle molecola d’acqua della vasca, produce un neutrone ed un positrone. Il positrone si annichila con la sua controparte di materia, l’elettrone, e il neutrone viene catturato da un nucleo atomico. Il tutto rilevabile grazie all’emissione di una precisa quantità di raggi gamma dai tubi fotomoltiplicatori.
Se Cowan non fosse morto qualche anno prima, nella spiegazione teorica e nella dimostrazione pratica di questo processo, cioè dalla scoperta della radioattività alla rilevazione effettiva del neutrino, avremmo coinvolto ben 6 premi Nobel in 5: 2 alla Sklodowska-Curie, e uno rispettivamente a Pauli, Fermi, Reines e Cowan.
Scherzavo? No, all’appello manca ancora qualche Nobel…
La violazione della simmetria
Qualche anno dopo gli esperimenti rivelatori di Reines e Cowan, nel 1967, un fisico russo, Andrej Dmitrievic Sakharov, proposte una teoria, detta appunto ipotesi di Sakharov, secondo la quale l’equilibrio – o simmetria – tra materia e antimateria poteva essere violato.
Due parole che esulano dal contesto Sakharov le merita tutte. Fu uno dei più grandi geni della fisica russa e partecipò, come fece anche Fermi, alla realizzazione di armi nucleari (Fermi fu decisivo per la bomba atomica, Sakharov per quella all’idrogeno), ma diede fondamentali contributi nella teoria dei reattori tokamak (i reattori a fusione), nello studio dei raggi cosmici, nella fisica delle particelle (come vedremo) e si permise di dare un’aggiustatina ad alcune delle equazioni della teoria della relatività di un altro famoso Nobel, Albert Einstein.
E’ molto noto, soprattutto a chi ha qualche anno in più, per le sue battaglie per i diritti civili. Si impegnò tra l’altro contro la pena di morte e contro l’invasione russa in Afghanistan, ragione per cui fu imprigionato a Gorky.
Fu ricoverato e alimentato a forza due volte dopo altrettanti scioperi della fame a favore della moglie, malata di cuore, che necessitava di un intervento negli Stati Uniti, fino a quando il clamore internazionale suscitato dalla vicenda convinse l’URSS a dare il benestare all’intervento. Gli fu addirittura impedito di ritirare il Nobel per la pace nel ’75…
Solo nel 1986 Gorbaciov lo riabilitò e gli consentì di tornare a Mosca, dove morì un mese dopo la caduta del muro di Berlino e, in pratica, dell’idea di Unione Sovietica che aveva combattuto.
Andrej Dmitrievic Sakharov, fisico russo.
Ritornando alla fisica, l’ipotesi suggerita da Sakharov era che la simmetria tra materia e antimateria non fosse perfetta e che ciascuna potesse esibire proprietà leggermente diverse. A meno di un secondo dal Big Bang, tutte le forze si sarebbero riunite in una particella vettore chiamata particella X. Non appena l’Universo neonato cominciò a raffreddarsi, questa particella sarebbe decaduta e l’asimmetria intrinseca in materia e antimateria avrebbe portato ad un surplus di materia rispetto all’antimateria di una parte su un miliardo. L’ipotesi ha dalla sua il fatto che nella radiazione di fondo si trovano circa un miliardo di fotoni per ogni particella di materia esistente, che rappresenterebbero appunto il residuo della radiazione gamma emessa dall’annichilazione materia-antimateria.
L’asimmetria esiste davvero?
Che questa asimmetria materia-antimateria esista davvero comincia, con il moltiplicarsi degli esperimenti di fisica delle alte energie, ad essere più di un sospetto.
Le collisioni protone-antiprotone nell’esperimento BaBar.
L’esperimento BaBar – Un esempio è l’esperimento BaBar nello Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), in cui si fanno collidere gli elettroni con le loro antiparticelle, i positroni, per produrre particelle ed antiparticelle dette mesoni B ed anti-B. Queste particelle hanno vita brevissima e decadono in particelle subatomiche più leggere. Ebbene, dopo l’osservazione di oltre 200 milioni di decadimenti di coppie B/-B si può senza ombra di dubbio dire che il loro decadimento non è identico, come ci si aspetterebbe se la simmetria non fosse violata (nello specifico, si evidenzia una caduta maggiore del mesone B in Kaone o Pione rispetto al mesone anti-B).
È quindi possibile che al momento del Big Bang sia stata prodotta la stessa quantità di materia e antimateria, ma la diversità di decadimento abbia creato l’asimmetria a favore della materia.
L‘esperimento T2K (Tokai per Kamioka) – In questo esperimento viene sparato un fascio di neutrini dal Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) a Tokai, sulla costa orientale del Giappone, fino al Super-Kamiokande, un rilevatore di neutrini posto nella miniera di Kamiokande sulla costa occidentale, a quasi 300 km di distanza. Il Super-Kamiokande è un gigantesco serbatoio d’acqua tappezzato da migliaia di tubi fotomoltiplicatori pronti a catturare la luce emessa quando i neutrini interagiscono con l’acqua. Poiché i neutrini hanno una possibilità estremamente piccola di interazione (praticamente non hanno massa e possono attraversare indisturbati l’intero pianeta), questo tipo di esperimento impiega anni a raccogliere dati sufficienti. In effetti, T2K ha impiegato un decennio per rilevare solo 90 neutrini e 15 antineutrini a partire da circa 100 miliardi di miliardi di potenziali collisioni che generano neutrini a J-PARC.
Neutrini in crisi d’identità
I neutrini sono particelle estremamente sfuggenti, ed oltre all’assenza praticamente totale di massa, hanno anche altre strane proprietà. Una di queste è che vanno in “crisi di identità” (ne scrivevo già nel 1999, dopo la prima verifica sperimentale, ad opera proprio del Super-Kamiokande, dell’oscillazione dei neutrini!), cioè si trasformano (si dice che “oscillano”) nei loro diversi “sapori”, ovvero tre diverse proprietà fisiche che danno luogo a tre diversi tipi di neutrino.
L’oscillazione dei neutrini fu prevista da un altro genio della fisica del ‘900, Bruno Pontecorvo, negli anni ’50. A Pontecorvo non è mai stato assegnato il premio Nobel, ma se lo avesse avuto, avrebbe probabilmente avuto il Nobel per i Nobel. Dalle sue intuizioni sono nati infatti ben 6 premi Nobel, quello già menzionato per Reines (e sarebbero stati 7 se, come detto, Cowan non fosse deceduto prima), visto che l’idea dell’esperimento era di Pontecorvo, quelli a Steinberger, Lederman e Melvin, che verificarono l’idea di Pontecorvo che i neutrini associati agli elettroni fossero diversi da quelli associati ai muoni, e gli ultimi due a McDonald (no, non quello dei panini) e Kajita per la verifica sperimentale, appunto, dell’oscillazione dei neutrini.
Prima di accennare ai risultati del test, va ricordato che il T2K è un’evoluzione di un precedente esperimento, il progetto CNGS (Cern Neutrinos to Gran Sasso) che già dimostrò l’oscillazione, avvenuto nel 2011 tra il CERN di Ginevra e i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Dal CERN venne sparato un fascio di neutrini muonici verso i LNGS e questi misurarono in arrivo una certa percentuale di neutrini tau, segno dell’avvenuta “oscillazione” negli oltre 700 km di crosta terrestre tra Ginevra e il Gran Sasso. Di questo specifico esperimento ne avrete certamente sentito parlare: ricordate il famoso “tunnel della Gelmini”?
Ritornando al topic dell’articolo, dai dati del T2K è stata misurata la probabilità che un neutrino, durante questo viaggio di 300 km, oscillasse appunto tra i suoi “sapori”. Il team ha quindi eseguito lo stesso esperimento con gli antineutrini e ha confrontato i numeri. Se materia e antimateria fossero perfettamente simmetriche, le probabilità dovrebbero essere le stesse, ma i risultati suggeriscono che non lo sono. T2K ha rilevato che i neutrini cambiano sapore durante il viaggio con una probabilità maggiore rispetto agli antineutrini. Neutrini e antineutrini non si comportano quindi in modo identico, il che darebbe ragione a Sakharov.
Va detto che il livello di confidenza di questa scoperta non soddisfa il livello statistico 5-sigma (5σ), ma si è sul 3σ (2σ se la simmetria materia-antimateria deve essere esclusa del tutto). Spetterà quindi a nuovi esperimenti ed alla nuova generazione di rilevatori in costruzione (JUNO in Cina, che dovrebbe partire tra due anni, Dune negli USA tra 5 e Hyper-Kamiokande in Giappone tra 7 anni) dire l’ultima parola sulla simmetria materia-antimateria.
Ma sarà veramente l’ultima?
