Il neutrino-elettrone
Un elettrone che avrebbe perso la sua carica elettrica
Il modo più semplice di concepire un neutrino è di immaginare un elettrone che ha perso la sua carica elettrica. Questo appellativo permette di distinguerli da altri due tipi di neutrini, i neutrini muonici e i neutrini tau.
L’elettrone-neutrino, insieme all’elettrone, è uno dei due attori della radioattività beta, un attore quasi invisibile, estremamente difficile da rilevare. Nel caso più comune di radioattività beta-minus, non è il neutrino che si verifica invece, ma la sua antiparticella, l’elettrone antineutrino. L’elettrone antineutrino è il partner dell’elettrone positivo o positrone.
Il neutrino è il quarto membro di una famiglia di quattro corpuscoli che gioca un ruolo fondamentale nel mondo che ci circonda. I primi due sono i quark “su” e “giù” componenti della materia nucleare, il terzo è l’elettrone. I fisici chiamano leptoni la coppia formata dall’elettrone e dal neutrino. I quark e i leptoni sono corpuscoli troppo piccoli per essere mai osservati al microscopio. Nella figura, la rappresentazione dei quark e dei leptoni con le trottole è ovviamente simbolica.
IN2P3L’elettrone-neutrino è il partner dell’elettrone nella famiglia dei 4 costituenti fondamentali della materia. Gli altri due membri di questa famiglia sono i cosiddetti quark up e down, i costituenti elementari di protoni e neutroni e quindi i costituenti ultimi del nucleo atomico. Elettrone, elettrone-neutrino, quark up e down quark formano agli occhi dei fisici la prima generazione di particelle elementari.
Quello che distingue i quark dall’elettrone e dal suo neutrino è che i primi sono sensibili alle interazioni molto forti che cementano i nuclei. Così i quark sono difficili da osservare perché rimangono prigionieri nella materia nucleare.
Elettroni e neutrini non sono sensibili all’interazione forte. Partono alla scoperta del mondo! Ma i neutrini sono inoltre elettricamente neutri: non hanno la carica elettrica che permette agli elettroni di formare la nuvola elettronica che circonda il nucleo dell’atomo. Sono solo sensibili alle forze responsabili in particolare della radioattività beta, che i fisici chiamano interazioni deboli.
Si è supposto a lungo che i neutrini non hanno massa (come i fotoni). Esperimenti recenti hanno dimostrato che hanno una massa estremamente piccola. Per dare un’idea, la massa del neutrino-elettrone è molto meno del milionesimo della massa dell’elettrone, una particella già molto leggera.
Praticamente corpuscoli senza massa, i neutrini viaggiano alla velocità della luce. È così che nel 1987, è stato osservato, insieme a un minuscolo lampo di luce proveniente da una lontana esplosione di supernova, l’arrivo di una ventata di neutrini… dopo un viaggio di 180.000 anni luce !
I neutrini come gli elettroni e i quark hanno due possibili stati di rotazione o spin. Solo uno dei due stati è prodotto: i neutrini che hanno una “elicità sinistra”, come indicato nella figura rispetto alla direzione del moto. I neutrini a destra non sono osservati: non sono prodotti e non interagiscono. Nel mondo dell’antimateria è il contrario: solo gli antineutrini diritti sono prodotti e osservati. Questa notevole proprietà è una caratteristica delle interazioni deboli.
IN2P3Come gli elettroni, i neutrini hanno due possibili stati di rotazione (o spin) che sono chiamati elicità sinistra e destra, quando l’asse di rotazione è scelto parallelamente alla direzione del moto. Ma i neutrini interagiscono solo attraverso le forze deboli, che distinguono i due stati di elicità (un fenomeno che i fisici chiamano “violazione della parità”). Solo i neutrini di sinistra sono prodotti e osservati. I neutrini destri non interagiscono.
I neutrini che interagiscono con la materia solo attraverso queste forze deboli, la loro probabilità (chiamata sezione trasversale) di interagire è estremamente bassa. Per dare un’idea di questa piccolezza, nel loro esperimento che ha portato alla scoperta del neutrino nel 1956, Reines e Cowan hanno misurato una sezione trasversale di 0,063 miliardesimo di miliardesimo di barn.
Il barn è l’unità usata dai fisici per misurare le sezioni trasversali. Per esempio, la sezione trasversale della cattura di un neutrone da parte di un nucleo di uranio-238 è dell’ordine di qualche barn. Le energie dei neutrini nei decadimenti radioattivi sono generalmente inferiori a 1 MeV. Anche la sezione d’urto di un neutrino di 1 MeV, ben al di sopra di quelle misurate da Reines e Cowan, rimane estremamente bassa. Questo spiega perché i neutrini provenienti da decadimenti radioattivi che avvengono nel sole sono in grado di attraversare la Terra.
La probabilità di interazione (sezione trasversale) del neutrino con un protone o neutrone aumenta con l’energia. I dati mostrati nella figura rappresentano questo aumento di probabilità d’interazione con l’energia. La probabilità di interazione è estremamente bassa per i neutrini prodotti dalla radioattività. A causa della loro alta energia, è molto più facile rilevare i neutrini che si trovano nei fasci dei grandi acceleratori di particelle.
Image credit: J.W. Rohlf, retrieved from http://hyperphysics.phy-astr.gsu.eduI fisici hanno trovato altre due specie di neutrini, il muone-neutrino e il tau-neutrino. Il neutrino muonico è il compagno del muone, un elettrone pesante osservato nei raggi cosmici. Il neutrino tau è il compagno del tau, un elettrone superpesante (pesa il doppio del protone) scoperto nel 1975 dal fisico americano Martin Perl.
Un ultimo aspetto di queste particelle affascinanti! Sotto l’effetto dell’interazione debole, i neutrini possono trasformarsi in altre specie. I fisici dicono che “oscillano”. Così un neutrino nato neutrino-elettrone nel sole può essere rilevato come muone-neutrino al suo arrivo sulla Terra. Un deficit osservato di elettroni-neutrini provenienti dal sole è una delle prove delle oscillazioni dei neutrini.
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