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Assedio al neutrino L'ESPERIMENTO DECISIVO Assedio al neutrino Icarus dirà se ha davvero una massa UN gruppo di 120 fisici giapponesi e americani impegnati nell'esperimento Super-Kamiokande, in Giappone, ha annunciato che il neutrino, la più inafferrabile delle particelle subatomiche, possiede una massa. Se così fosse, poiché il cosmo è pervaso da un enorme numero di neutrini, l'universo potrebbe avere una massa sufficiente a farlo collassare. Anche i ricercatori dell'esperimento Macro in corso nel Laboratorio del Gran Sasso hanno presentato dati favorevoli alla massa del neutrino. In entrambi i casi gli indizi sono indiretti: provengono dalla teoria della sua «oscillazione» formulata da Bruno Pontecorvo, secondo la quale i tre tipi di neutrino potrebbero trasformarsi l'uno nell'altro. Per avere una risposta definitiva bisognerà attendere un altro esperimento, denominato Icarus. Icarus (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals), di cui il Nobel Carlo Rubbia è il coordinatore, rappresenta la nuova generazione di esperimenti sul neutrino dell'Info (Istituto nazionale di fisica). La collaborazione Icarus prima e l'Infn poi hanno chiesto ufficialmente al Cern di Ginevra di produrre un intenso fascio di neutrini, sfruttando in parte l'infrastruttura già prevista per il futuro acceleratore, il Large Hadron Collider (Lhc). Il proget¬ to prevede di inviare un fascio di neutrini dal Super Proto Sincrotone del Cern, alle pendici della catena montuosa del Jura, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italia, facendo percorrere a queste particelle 732 chilometri nella crosta terrestre a una profondità massima di 10,5 chilometri. La storia del neutrino ha radici nei primi Anni 30, quando per salvare le leggi della conservazione dell'energia nel decadimento beta, problema che da oltre trent'anni travagliava la comunità scientifica dell'epoca, Wolfgang Pauìi propose l'esistenza di una nuova particella neutra leggera anticipando di ben ventisei anni la prima osservazione sperimentale. Enrico Fermi qualche anno dopo inserì questo costituente ultimo della materia, da lui battezzato «neutrino», nella sua nuova formulazione della teoria del decadimento beta. Oggi è patrimonio comune della fisica che il decadimento beta sia un processo radioattivo nel corso del quale in un nucleo instabile un protone si trasforma spontaneamente in un neutrone con l'emissione di un antielettrone e di un neutrino (decadimento beta più), o viceversa, un neutrone in un protone con l'emissione di un elettrone e di un antineutrino (decadimento beta meno). Grazie al neutrino il numero dei costituenti elementari della materia è aumentato. Il Modello Standard suddivide tutte le particelle in due grandi famiglie: quark e leptoni. Accanto ai sei quark e ai sei antiquark, ci sono sei leptoni e sei antileptoni, tre dei quali sono il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il non ancora osservato neutrino tauonico, con i relativi antineutrini. Uno dei principali misteri di queste particelle è legato alla possibilità che esse abbiano massa o meno. Le teorie di Grande Unificazione, imponendo la simmetria tra quark e leptoni, richiedono che anche i neutrini abbiano massa, sia pur piccola. Ancora oggi le misurazioni dirette al riguardo non sono del tutto soddisfacenti e forniscono solo i limiti superiori per la massa del neutrino: 5 elettronVolt per quello elettronico, 160 kiloelettronVolt per quello muonico e 24 MegaelettronVolt per quello tauonico. La massa di queste particelle è legata anche a un altro affascinante aspetto della fisica, quello che oggi viene spesso denominato l'enigma dei neutrini solari. Le reazioni termonucleari che avvengono all'interno del Sole producono, tra l'altro, anche neutrini che raggiungono dopo pochi minuti la Terra. La loro osservazione è forse l'unico mezzo per riuscire a capire in maniera diretta i processi di fusione, nonché poter verificare il Modello Solare Standard, la teo- ria oggi più affidabile sul Sole. La prima misurazione dei neutrini solari, effettuata dall'apparato sperimentale americano di Homestake e confermata da quello giapponese di Kamiokande, ha fornito un risultato inatteso: il flusso dei neutrini risultava tre volte inferiore rispetto alle previsioni teoriche. La soluzione più suggestiva a questo mistero si appoggia all'ipotesi, suggerita nel 1958 da Pontecorvo, detta «oscillazione del neutrino», secondo la quale i neutrini emessi dal Soie possono cambiare specie (per esempio da muonici ad elettronici), sfuggendo così all'osservazione. Processo possibile solo se queste particelle possiedono massa non nulla. Nell'esperimento Gallex dei laboratori del Gran Sasso, una collaborazione italo-franco-tedesca espose al flusso di questi corpuscoli provenienti dal Sole 30 tonnellate di gallio in 100 tonnellate di soluzione per garantirsi la possibilità di osservare almeno un neutrino solare al giorno. E nel 1992 Gallex ri¬ velò il primo segnale. Dopo anni di osservazione il flusso dei neutrini misurato con questo esperimento risulta oggi circa il 60 per cento di quello teorico, a conferma del fatto che i problemi delle proprietà dei neutrini e della dinamica del Sole sono ancora aperti. Oltre a Super-Kamiokande, per accertare l'esistenza delle oscillazioni del neutrino sono in corso gli esperimenti Sno in Canada e Borexino al Gran Sasso. La massa dei neutrini potrebbe fornire preziose informazioni sul destino dell'universo, determinando notevoli cambiamenti sia in cosmologia sia in astrofisica. Una continua espansione, una contrazione o il raggiungimento di uno stato stazionario sono le diverse possibilità previste dalla teoria sulla fine dell'universo, e tutte sono connesse alla massa del neutrino. «Icarus», confrontante i neutrini di una sorgente ben nota (quella del Cern) con quelli ricevuti al Gran Sasso, permetterà di verificare se esistono davvero le «oscillazioni». Inol¬ tre, osservando i neutrini solari e delle supernove, sarà possibile, studiare tutti gli altri aspetti di queste particelle. Icarus si avvarrà di un rivelatore criogenico ad argon liquido in grado di fornire immagini tridimensionali delle reazioni che avvengono al suo interno. Per lo studio sistematico di un gran numero di eventi fisici in una vasta banda di energie, da qualche megaelettronVolt tipica delle interazioni dei neutrini solari a quelle più elevate del decadimento del protone, un GigaelettronVolt, fino a quelle altissime delle interazioni dei neutrini cosmici, è prevista la realizzazione di un rivelatore di parecchie migliaia di tonnellate, diviso in moduli di 600 tonnellate ciascuno. Se tutto va secondo i piani che prevedono l'inizio dei lavori al Cern per tutta la strumentazione di produzione del fascio entro quest'anno, i neutrini potrebbero iniziare il loro viaggio da Ginevra al Gran Sasso nel 2002. ^grg Dal Giappone l'annuncio della scoperta delle oscillazioni neutriniche Nei prossimi anni una collaborazione Cern-Gran Sasso potrà fornire conferme definitive Nelle fotografìe qui accanto e in alto, due immagini dei laboratori del Cern a Ginevra: il nuovo acceleratore Lhc permetterà, tra l'altro, di verificare se il neutrino possiede una massa