La particella trasformista

Non dite a Brachetti che c'è qualcuno più veloce di lui a cambiare d'abito!

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Dopo il post in inglese sul Nobel per la Fisica 2015, ecco anche la versione in italiano. Come saprete ormai in giro per la rete quest'anno il riconoscimento è andato per l'osservazione sperimentale delle oscillazioni del neutrino. Ai dettagli tecnici, proposti da Bruno Pontecorvo nel 1957 e ulteriormente sviluppati da Zio Maki, Masami Nakagawa e Shoichi Sakata nel 1962, ho dedicato un post teorico, mentre quest'oggi proverò a riassumervi la storia delle osservazioni sperimentali.
Iniziamo, però, dalla scoperta del neutrino.

La scoperta dei neutrini

Fred Reynes e Clyde Cowan

L'esistenza dei neutrini era stata postulata da Wolfgang Pauli⁽¹⁾ ed Enrico Fermi⁽²⁾ nei primi anni Trenta del XX secolo per spiegare il decadimento beta. La prima osservazione della nuova particella è invece dovuta a Clyde Cowan, Frederick Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse, e A. D. McGuire⁽³⁾:

La velocità di un segnale prodotto dalla reazione 1 \[\nu_{-} + p^{+} \rightarrow \beta^{+} + n^0\] deve essere una funzione linerare del numero di protoni forniti come bersaglio per i neutrini.

Il gruppo osservò due segnali:

Il secondo impulso del segnale della coppia ritardata osservato è stato identificato come dovuto alla cattura di un neutrone dal cadmio nel bersaglio d'acqua.

La scoperta venne premiata con il Nobel per la Fisica nel 1995.
Uno dei fatti più curiosi riguardo i Premi Nobel legati ai neutrini è che il premio per la scoperta dei sapori dei neutrini è stato assegnato nel 1988 a Leon Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinberger, quindi prima del premio per la loro scoperta!

Oscillazioni

via nobelprize.org

Esistono tre tipi differenti di neutrini di base, 1, 2, e 3. Una sovrapposizione di questi tipi di neutrini genera i tre neutrini solitamente osservati negli esperimenti: elettronico, muonico e tauonico. Grazie ai neutrini di base, ogni neutrino della famiglia può cambiare il suo sapore in un altro: l'abito non fa il neutrino!
Il primo indizio riguardo le oscillazioni del neutrino è stata l'osservazione di un deficit nel flusso dei neutrini solari rispetto alle predizioni teoriche. Questa osservazione è stata realizzata prosso lo Homestake Experiment guidato da Raymond Davis, Jr. e John Bahcall⁽⁴⁾.
Ci sono stati molti esperimenti che hanno confermato questi risultati, ma il deficit è stato definitivamente identificato come un effetto dell'oscillazione dei neutrini solo dopo che il Sudbury Neutrino Observatory fornì i risultati conclusivi delle sue osservazioni nel 2001^{(5, 6)}: l'esperimento era guidato da Arthur McDonald.
L'oscillazione dei neutrini atmosferici, invece, venne osservata per la prima volta presso il Super Kamiokande⁽⁷⁾, un osservatorio di neutrini situato sotto il monte Kamioka in Giappone: il portavoce dell'epoca era Takaaki Kajita.
Sono proprio Kajita e McDonald i vincitori del Premio Nobel per la Fisica 2015

per la scoperta delle oscillazioni del neutrino, che mostrano che i neutrini hanno massa

Così quest'anno il premio unisce insieme due delle più note branche della fisica: l'astrofisica e la fisica delle particelle.

Post scriptum

Ci sono anche due altri due differenti modi per osservare le oscillazioni: nei reattori e negli esperimenti che esaminano i fasci di particelle. In quest'ultimo caso mi preme ricordare che l'osservazione più recente delle oscillazioni del neutrino tauonico è dovuta a OPERA.

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(1) W. Pauli in Rapp. Septieme Conseil Phys. Solvay, Brussels 1933
(2) Fermi, E. (1934). Radioattività prodotta da bombardamento di neutroni Il Nuovo Cimento, 11 (7), 429-441 DOI: 10.1007/BF02959915 (pdf)
(3) Cowan, C., Reines, F., Harrison, F., Kruse, H., & McGuire, A. (1956). Detection of the Free Neutrino: a Confirmation Science, 124 (3212), 103-104 DOI: 10.1126/science.124.3212.103 (pdf)
(4) Davis, R., Harmer, D., & Hoffman, K. (1968). Search for Neutrinos from the Sun Physical Review Letters, 20 (21), 1205-1209 DOI: 10.1103/PhysRevLett.20.1205

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(5) Ahmad, Q., Allen, R., Andersen, T., Anglin, J., Bühler, G., Barton, J., Beier, E., Bercovitch, M., Bigu, J., Biller, S., Black, R., Blevis, I., Boardman, R., Boger, J., Bonvin, E., Boulay, M., Bowler, M., Bowles, T., Brice, S., Browne, M., Bullard, T., Burritt, T., Cameron, K., Cameron, J., Chan, Y., Chen, M., Chen, H., Chen, X., Chon, M., Cleveland, B., Clifford, E., Cowan, J., Cowen, D., Cox, G., Dai, Y., Dai, X., Dalnoki-Veress, F., Davidson, W., Doe, P., Doucas, G., Dragowsky, M., Duba, C., Duncan, F., Dunmore, J., Earle, E., Elliott, S., Evans, H., Ewan, G., Farine, J., Fergani, H., Ferraris, A., Ford, R., Fowler, M., Frame, K., Frank, E., Frati, W., Germani, J., Gil, S., Goldschmidt, A., Grant, D., Hahn, R., Hallin, A., Hallman, E., Hamer, A., Hamian, A., Haq, R., Hargrove, C., Harvey, P., Hazama, R., Heaton, R., Heeger, K., Heintzelman, W., Heise, J., Helmer, R., Hepburn, J., Heron, H., Hewett, J., Hime, A., Howe, M., Hykawy, J., Isaac, M., Jagam, P., Jelley, N., Jillings, C., Jonkmans, G., Karn, J., Keener, P., Kirch, K., Klein, J., Knox, A., Komar, R., Kouzes, R., Kutter, T., Kyba, C., Law, J., Lawson, I., Lay, M., Lee, H., Lesko, K., Leslie, J., Levine, I., Locke, W., Lowry, M., Luoma, S., Lyon, J., Majerus, S., Mak, H., Marino, A., McCauley, N., McDonald, A., McDonald, D., McFarlane, K., McGregor, G., McLatchie, W., Drees, R., Mes, H., Mifflin, C., Miller, G., Milton, G., Moffat, B., Moorhead, M., Nally, C., Neubauer, M., Newcomer, F., Ng, H., Noble, A., Norman, E., Novikov, V., O'Neill, M., Okada, C., Ollerhead, R., Omori, M., Orrell, J., Oser, S., Poon, A., Radcliffe, T., Roberge, A., Robertson, B., Robertson, R., Rowley, J., Rusu, V., Saettler, E., Schaffer, K., Schuelke, A., Schwendener, M., Seifert, H., Shatkay, M., Simpson, J., Sinclair, D., Skensved, P., Smith, A., Smith, M., Starinsky, N., Steiger, T., Stokstad, R., Storey, R., Sur, B., Tafirout, R., Tagg, N., Tanner, N., Taplin, R., Thorman, M., Thornewell, P., Trent, P., Tserkovnyak, Y., Van Berg, R., Van de Water, R., Virtue, C., Waltham, C., Wang, J., Wark, D., West, N., Wilhelmy, J., Wilkerson, J., Wilson, J., Wittich, P., Wouters, J., & Yeh, M. (2001). Measurement of the Rate of $\nu_e + d \rightarrow p + p + e^-$ Interactions Produced by Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory Physical Review Letters, 87 (7) DOI: 10.1103/PhysRevLett.87.071301 (arXiv)

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(6) Ahmad, Q., Allen, R., Andersen, T., D.Anglin, J., Barton, J., Beier, E., Bercovitch, M., Bigu, J., Biller, S., Black, R., Blevis, I., Boardman, R., Boger, J., Bonvin, E., Boulay, M., Bowler, M., Bowles, T., Brice, S., Browne, M., Bullard, T., Bühler, G., Cameron, J., Chan, Y., Chen, H., Chen, M., Chen, X., Cleveland, B., Clifford, E., Cowan, J., Cowen, D., Cox, G., Dai, X., Dalnoki-Veress, F., Davidson, W., Doe, P., Doucas, G., Dragowsky, M., Duba, C., Duncan, F., Dunford, M., Dunmore, J., Earle, E., Elliott, S., Evans, H., Ewan, G., Farine, J., Fergani, H., Ferraris, A., Ford, R., Formaggio, J., Fowler, M., Frame, K., Frank, E., Frati, W., Gagnon, N., Germani, J., Gil, S., Graham, K., Grant, D., Hahn, R., Hallin, A., Hallman, E., Hamer, A., Hamian, A., Handler, W., Haq, R., Hargrove, C., Harvey, P., Hazama, R., Heeger, K., Heintzelman, W., Heise, J., Helmer, R., Hepburn, J., Heron, H., Hewett, J., Hime, A., Howe, M., Hykawy, J., Isaac, M., Jagam, P., Jelley, N., Jillings, C., Jonkmans, G., Kazkaz, K., Keener, P., Klein, J., Knox, A., Komar, R., Kouzes, R., Kutter, T., Kyba, C., Law, J., Lawson, I., Lay, M., Lee, H., Lesko, K., Leslie, J., Levine, I., Locke, W., Luoma, S., Lyon, J., Majerus, S., Mak, H., Maneira, J., Manor, J., Marino, A., McCauley, N., McDonald, A., McDonald, D., McFarlane, K., McGregor, G., Meijer Drees, R., Mifflin, C., Miller, G., Milton, G., Moffat, B., Moorhead, M., Nally, C., Neubauer, M., Newcomer, F., Ng, H., Noble, A., Norman, E., Novikov, V., O'Neill, M., Okada, C., Ollerhead, R., Omori, M., Orrell, J., Oser, S., Poon, A., Radcliffe, T., Roberge, A., Robertson, B., Robertson, R., Rosendahl, S., Rowley, J., Rusu, V., Saettler, E., Schaffer, K., Schwendener, M., Schülke, A., Seifert, H., Shatkay, M., Simpson, J., Sims, C., Sinclair, D., Skensved, P., Smith, A., Smith, M., Spreitzer, T., Starinsky, N., Steiger, T., Stokstad, R., Stonehill, L., Storey, R., Sur, B., Tafirout, R., Tagg, N., Tanner, N., Taplin, R., Thorman, M., Thornewell, P., Trent, P., Tserkovnyak, Y., Van Berg, R., Van de Water, R., Virtue, C., Waltham, C., Wang, J., Wark, D., West, N., Wilhelmy, J., Wilkerson, J., Wilson, J., Wittich, P., Wouters, J., & Yeh, M. (2002). Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory Physical Review Letters, 89 (1) DOI: 10.1103/PhysRevLett.89.011301 (arXiv)

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(7) Fukuda, Y., Hayakawa, T., Ichihara, E., Inoue, K., Ishihara, K., Ishino, H., Itow, Y., Kajita, T., Kameda, J., Kasuga, S., Kobayashi, K., Kobayashi, Y., Koshio, Y., Miura, M., Nakahata, M., Nakayama, S., Okada, A., Okumura, K., Sakurai, N., Shiozawa, M., Suzuki, Y., Takeuchi, Y., Totsuka, Y., Yamada, S., Earl, M., Habig, A., Kearns, E., Messier, M., Scholberg, K., Stone, J., Sulak, L., Walter, C., Goldhaber, M., Barszczxak, T., Casper, D., Gajewski, W., Halverson, P., Hsu, J., Kropp, W., Price, L., Reines, F., Smy, M., Sobel, H., Vagins, M., Ganezer, K., Keig, W., Ellsworth, R., Tasaka, S., Flanagan, J., Kibayashi, A., Learned, J., Matsuno, S., Stenger, V., Takemori, D., Ishii, T., Kanzaki, J., Kobayashi, T., Mine, S., Nakamura, K., Nishikawa, K., Oyama, Y., Sakai, A., Sakuda, M., Sasaki, O., Echigo, S., Kohama, M., Suzuki, A., Haines, T., Blaufuss, E., Kim, B., Sanford, R., Svoboda, R., Chen, M., Conner, Z., Goodman, J., Sullivan, G., Hill, J., Jung, C., Martens, K., Mauger, C., McGrew, C., Sharkey, E., Viren, B., Yanagisawa, C., Doki, W., Miyano, K., Okazawa, H., Saji, C., Takahata, M., Nagashima, Y., Takita, M., Yamaguchi, T., Yoshida, M., Kim, S., Etoh, M., Fujita, K., Hasegawa, A., Hasegawa, T., Hatakeyama, S., Iwamoto, T., Koga, M., Maruyama, T., Ogawa, H., Shirai, J., Suzuki, A., Tsushima, F., Koshiba, M., Nemoto, M., Nishijima, K., Futagami, T., Hayato, Y., Kanaya, Y., Kaneyuki, K., Watanabe, Y., Kielczewska, D., Doyle, R., George, J., Stachyra, A., Wai, L., Wilkes, R., & Young, K. (1998). Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos Physical Review Letters, 81 (8), 1562-1567 DOI: 10.1103/PhysRevLett.81.1562 (arXiv)