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venerdì 13 luglio 2018

La scoperta del neutrino

Strettamente legata alla scoperta del neutrone è quella della particella più elusiva dell’universo: il neutrino.
La sua storia inizia nel 1896 quando Henri Becquerel e indipendentemente da lui Marie e Pierre Curie scoprirono la radioattività rispettivamente nell'uranio il primo e nei nuovi elementi del polonio e del radio i secondi. Le radiazioni, a loro volta, seguendo la classificazione proposta da Ernest Rutherford nel 1899, potevano essere in funzione del loro potere di penetrazione: si partiva dai raggi alpha ($\alpha$), che potevano essere fermati da sottili fogli di alluminio, per passare poi ai raggi beta ($\beta$), che riuscivano a penetrare svariati millimetri di alluminio, fino ai raggi gamma ($\gamma$), scoperti da Paul Villard nel 1900, i più penetranti di tutti e così chiamati sempre da Rutherford nel 1903. Inoltre nel 1901 sempre Rutherford insieme con Frederick Soddy mostrò che i raggi $\alpha$ e $\beta$ erano legati a un qualche processo di trasmutazione degli atomi: il sogno degli alchimisti sembrava ormai alla portata dei fisici.
Di queste tre radiazioni, quella che si rivelò particolarmente problematica fu la radiazione $\beta$. Due esperimenti, quello di Lise Meitner e Otto Hahn nel 1911 e quello di Jean Danysz nel 1913, mostrarono che le particelle $\beta$ possedevano uno spettro continuo. Tale risultato venne confermato nel 1914 da James Chadwick, portando alla luce anche una terribile notizia: la prima violazione della conservazione dell'energia.
C'era anche una violazione del principio di conservazione del momento angolare, ma in ogni caso il risultato era particolarmente drammatico. A risolvere la faccenda provò Niels Bohr con il tipico approccio della scuola di Copenaghen: spiegazione statistica del fenomeno, che ovviamente non salvava la conservazione dell’energia. Tale violazione, però, sembrava particolarmente insensata, così, probabilmente ispirato anche dalla famosa equazione $E = mc^2$ secondo cui l’energia è massa e viceversa, Wolfgang Pauli propose in una lettera(1) inviata all'Istituto di Fisica dell'Istituto Federale di Tecnologia di Zurigo l'esistenza di una nuova particella neutra che chiamò... neutrone.
Due anni più tardi Chadwick realizzò gli esperimenti che scoprirono effettivamente il neutrone, ma questo non poteva essere la particella proposta da Pauli. E infatti tra il 1932 e il 1933, in una serie di conferenze, Enrico Fermi propose il nome di neutrino(2) mentre nel 1934 andò alle stampe il suo articolo sul decadimento $\beta$, che uscì in italiano (e in tedesco)(3) a causa del rifiuto di Nature di pubblicarlo con la motivazione che
conteneva speculazioni così lontane dalla realtà per interessare i lettori(4)
La teoria, che forniva una sintesi dell'idea di Pauli con i risultati di Chadwick e con le teorie di Paul Dirac sui positroni e con il modello protone-neutrone di Werner Heisenberg, spiegava che all'interno del nuclei erano i neutroni a decadere, trasformandosi in protoni e rilasciando elettroni e anti-neutrini: \[n \rightarrow p + e + \bar \nu\] Il problema relativamente alla sua rilevazione (e per cui evidentemente Nature ritenne la proposta di Fermi irrealistica) era che il neutrino nella teoria di Fermi non possedeva massa. Rilevare una particella neutra nella migliore delle ipotesi con una massa prossima allo zero (se non addirittura nulla come i fotoni) fu un'impresa tecnologica tale per cui risultò necessario attendere fino al 1956 quando il gruppo guidato da Clyde Cowan(5) non rilevò finalmente delle inequivocabili tracce legate al passaggio di un fascio di antineutrini prodotto in una reazione nucleare e fatto interagire con dei protoni.
Ben presto si scoprì che quella del neutrino era una famiglia allargata a tre soggetti: oltre al neutrino scoperto da Cowan, detto neutrino elettronico, nel 1962 venne scoperto da Leon Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinberger il neutrino muonico(6), prodotto nel decadimento del muone.
L'ultimo neutrino, il così detto neutrino tauonico, venne osservato per la prima volta nel 2000 dalla collaborazione DONUT presso il Fermilab(7), ovviamente legato al decadimento del leptone tau, a sua volta scoperto nel 1975 presso lo Stanford Linear Accelerator Center, oggi meglio noto come SLAC.
Questi tre tipi di neutrini, però, non sono indipendenti uno dall’altro e possono trasformarsi, con la giusta energia, l'uno nell'altro: questa, però, è una storia che ho già raccontato (teoria ed esperimento).
  1. La lettera, originariamente scritta in tedesco, può essere letta nella sua traduzione in inglese su:
    “The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist”. Los Alamos Science. 25: 3. 1997. Retrieved 2010-02-10. (pdf)
    Brown, L. M. (1978). The idea of the neutrino. Physics Today, 31(9), 23. doi:10.1063/1.2995181
    Un suo estratto può essere più agevolmente letto su en.wiki.

  2. In effetti sembra che il nome sia stato suggerito a Fermi da Edoardo Amaldi

  3. Fermi, E. (1934). Tentativo di una teoria dei raggi $\beta*. Il Nuovo Cimento (1924-1942), 11(1), 1. doi:10.1007/BF02959820
    Fermi, E. (1934). Versuch einer Theorie der $\beta$-Strahlen. I. Zeitschrift für Physik, 88(3-4), 161-177. doi:10.1007/BF01351864

  4. because it contained speculations too remote from reality to be of interest to the reader

  5. Cowan, C. L. (1956). CL Cowan, F. Reines, FB Harrison, HW Kruse, and AD McGuire, Science 124, 103 (1956). doi:10.1126/science.124.3212.103

  6. Danby, G., Gaillard, J. M., Goulianos, K., Lederman, L. M., Mistry, N., Schwartz, M., & Steinberger, J. (1962). Observation of high-energy neutrino reactions and the existence of two kinds of neutrinos. Physical Review Letters, 9(1), 36. doi:10.1103/PhysRevLett.9.36

  7. Kodama, K., Ushida, N., Andreopoulos, C., Saoulidou, N., Tzanakos, G., Yager, P., … & Morfin, J. (2001). Observation of tau neutrino interactions. Physics Letters B, 504(3), 218-224. doi:10.1016/S0370-2693(01)00307-0 (arXiv)

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