Prof, Che Cosa Sono I Neutrini?

Prof., che cosa sono i neutrini?

Mi meravigliavo che la domanda non fosse ancora arrivata visto il recentissimo bombardamento mediatico, e, invece, eccola lì stampata sul volto dei miei ragazzi e aleggiante nella loro espressione interrogativa.

In questi giorni, ho taciuto volutamente. Non mi interessa percorrere l’ondata sensazionalistica  del momento per aggiungere informazioni ad informazioni. Sono già in troppe a circolare e, non di rado, a sproposito. Ma la domanda dei ragazzi non può essere ignorata. Mi accingo, quindi, a proporre alcuni input anche ai colleghi che volessero affrontare a scuola l’argomento, non sicuramente di facile approccio data la sua indiscutibile complessità.

Alcune considerazioni che occorre fare in premessa:

1. La fisica indaga i fenomeni della Natura, ossia tutti gli eventi che possono essere descritti tramite grandezze fisiche, al fine di stabilire le leggi che regolano le loro interazioni. Essa, spaziando dal microcosmo al macrocosmo, passa per la Terra, l'uomo e le sue creazioni, per farci comprendere  i nessi di causa effetto dei citati fenomeni naturali, e, per  perseguire tale scopo, utilizza il metodo scientifico. Qualsiasi esperienza proposta ai ragazzi non può prescindere da tale realtà.

2. L’infinitamente piccolo risulta complesso e astratto perché sfugge all’osservazione macroscopica familiare ai giovanissimi studenti, che, per i loro mezzi cognitivi, si confrontano con ciò che percepiscono attraverso i propri recettori sensoriali (vista, udito, tatto ecc.). C’è il rischio, se non viene creato il contesto adatto, che i ragazzi sbriglino la fantasia, allontanandosi dal concreto. Non è la fantasia ad essere qui richiesta bensì l’immaginazione!
La prima rischia di disperdersi in mille rivoli non pertinenti, che distolgono le giovani menti dal focalizzarsi sul problema. La capacità immaginativa deve, invece, essere stimolata il più possibile perché è di grande ausilio nell’indagine dei fenomeni naturali. L’immaginazione, infatti, è uno degli elementi fondamentali alla comprensione e alla creazione di modelli funzionanti per il determinato campo di osservazione e di studio considerato.

Fatte tali precisazioni, andiamo a confrontarci con i prerequisiti e le preconoscenze dei nostri ragazzi:

1. I primini hanno appena iniziato il percorso scolastico  del curricolo triennale e, in base a quella che è la mia esperienza, sono in possesso di una grande curiosità e…di idee confuse.
Se si vuole  parlare di neutrini, occorre  far comprendere innanzitutto, semplificando al massimo, che la materia ha una struttura particellare e che gli stati di aggregazione della materia sono strettamente  legati alle forze di coesione interne, alla temperatura e al calore. In definitiva, la materia non è qualcosa di continuo ma di discreto. Questo è il concetto di base da far maturare. Come? Sono sufficienti alcuni semplici esperimenti quali: la diffusione di un colorante in un liquido, a temperature diverse;  l’esperimento della siringa per comprimente l’aria ecc.

2. In seconda e in terza, sono state gettate anche le basi della chimica e sono stati proposti i modelli dell’atomo…mi auguro.

Queste le premesse da cui partire…per arrivare al neutrino!

Si chiederà ai ragazzi di riferire che cosa hanno  appreso dai media e di esplicitare quale idea si è formata  nella loro mente al riguardo. Ricordiamo, nella nostra azione didattica, che i ragazzi sono in possesso di una visione del mondo e dei suoi fenomeni che è perfettamente funzionante e coerente, sebbene ingenua ed errata. Pertanto evitiamo di proporre l’argomento...per travaso diretto.

Si potrebbe iniziare con la lettura di una scheda divulgativa approntata dall’INFN: “I neutrini e il sole”, per presentare ai ragazzi la natura elusiva di queste particelle.



I neutrini sono le particelle più abbondanti dell’universo e dotate di una massa piccolissima, almeno un milione di volte più piccola di quella dell’elettrone, che a sua volta ha una massa circa 2000 volte più piccola di quella di protoni e neutroni.

Insomma il paese di Lilliput nell’infinitamente piccolo!

Perché i neutrini sono  così sfuggenti e difficili da osservare?

Perché non sono dotati di carica elettrica e quindi non sono soggetti alla forza elettromagnetica. Per esempio, all'interno dell'atomo agisce una forza elettrica attrattiva tra gli elettroni e i protoni del nucleo: questa forza tiene insieme l'atomo. Ma non solo, la forza elettrica si esercita tra atomo e atomo e tra molecola e molecola sempre per le cariche elettriche di protoni ed elettroni. Se poi le cariche elettriche sono in movimento, allora si crea anche un campo magnetico. Questi aspetti possono essere approfonditi a scelta dal docente, in base alla situazione della classe e del loro percorso apprenditivo.

Questo comportamento dei neutrini è comprensibile da parte dei ragazzi così come è comprensibile il fatto che essi sono soggetti alla forza gravitazionale, per via della loro massa infinitesima, e che tale forza è, però, trascurabile nell’interazione tra le particelle.

Non è facile far loro comprendere, invece, che i neutrini non sono soggetti all’interazione nucleare forte, che tiene legati protoni e neutroni nel nucleo dell'atomo  e impedisce a questo di “spappolarsi”; in scala ancora più piccola, l'interazione forte tiene legati i quark e i gluoni  per formare i protoni, i neutroni ed altre particelle.

Non è facile far loro comprendere che i neutrini sono soggetti all’interazione debole, come è rilevato dagli esperimenti di laboratorio.

L’importante dal punto di vista didattico è sottolineare che queste particelle  così sfuggenti sono particelle fondamentali  e sono studiate dagli scienziati per verificare, tra l’altro, la coerenza di alcune teorie scientifiche importantissime per la comprensione dell’Universo fisico.

Ma dove si formano questi neutrini?




Nel cuore delle stelle! Nelle reazioni di fusione termonucleare che le alimenta, tenendole in vita.
Il Sole, la nostra stella, ne produce 10^38 al s mentre 6×10^10/cm^2 attraversano la terra ogni secondo. Ad ogni secondo attraversano il corpo umano 4×10^14 neutrini solari, 5×10^10 neutrini da fondo di radiazione e altrettanti dalle centrali. Qui c’è materiale per lavorare sugli ordini di grandezza e la notazione scientifica.

E la notizia di questi giorni? Come fanno i neutrini ad essere più veloci della luce? Abbiamo studiato che la luce è una costante insuperabile nell’Universo!

Un attimo, ragazzi! La notizia si riferisce ai risultati ottenuti da un team di scienziati che lavora all’esperimento OPERA del CERN di Ginevra. (Consultare questa scheda dell’INFN per approfondire).

Secondo i risultati dichiarati da questi ricercatori, i neutrini dell’esperimento Opera viaggiano dal CERN ai Laboratori del Gran Sasso a una velocità superiore a quella della luce nel vuoto, il limite universale imposto dalla relatività ristretta.
E’ un risultato indubbiamente sorprendente! Ma occorre estrema cautela. La Scienza ha i suoi modi di procedere e, prima di confermare un tale risultato, la comunità scientifica deve svolgere una verifica accurata con misure indipendenti, che saranno effettuate da altri esperimenti, su fasci  controllati di neutrini, in corso in Nord America e in Giappone.

Passeranno pertanto diversi mesi prima di sapere come stanno veramente le cose.
In conclusione, per il momento tutto rimane immutato...almeno per noi.

Se gli esperimenti in corso, dovessero confermare i risultati di OPERA, allora niente paura perché nella Scienza non si getta nulla. Se davvero i neutrini di OPERA dovessero essere superluminali, ovvero dovessero superare la velocità della luce, e quindi fosse violata la relatività ristretta, ci troveremmo in una nuova stagione della Fisica. E sarebbe necessario estendere la relatività di Einstein per includere i nuovi fenomeni osservati.

Il grande Einstein, perciò,  può continuare a riposare tranquillamente perché quanto di straordinario ci ha lasciato non verrebbe buttato alle ortiche.

E’ importante far comprendere  ai ragazzi quali sono  i modi di procedere della vera Scienza, che si basano sul metodo scientifico. Modi e metodo che costano immensa fatica e continue verifiche agli scienziati, spesso  fatti  vedere riduttivamente come romantici personaggi che vivono di illuminazioni improvvise (a volte, ci sono pure quelle) e non come persone che faticano duramente e...che in Italia sono sottopagati e non valorizzati per quel che di immenso ci danno.

Suggerisco per l’approfondimento dei colleghi, sulla questione dei  neutrini superluminali…forse, gli articoli di Marco Delmastro, fisico delle particelle che lavora al CERN:

- Considerazioni dopo il seminario di OPERA. Ovvero, di come si misura la velocità dei neutrini (superluminali o meno)
- Fare soldi con i neutrini superluminali
- Appunti neutrinici
- I pettegolezzi viaggiano più veloci della luce

Per l’approfondimento sia di docenti che di appassionati, propongo la seguente bibliografia su testi che riguardano e l’approccio storico-culturale-epistemologico e l’aspetto tecnico - descrittivo.

Bibliografia

Approccio storico- culturale- epistemologico

- Weinberg Steven, Il sogno dell'unità dell'universo, Mondadori, 1993
- Lederman Leo, La particella di Dio, Mondadori, 1996
- Feynman Richard, La legge fisica, cap. 4 e 6 Boringhieri, 1971

Approccio tecnico- descrittivo

- Amaldi Ugo, Fisica per licei scientifici; La fisica moderna, Zanichelli
- Feynman Richard, QED, la strana teoria della luce e della materia, Adelphi, 1989
- Kane Gordon, Il giardino delle particelle, Longanesi 1995
- Weinberg Steven, La scoperta delle particelle subatomiche, Zanichelli, 1986
- AA. VV., La fisica delle particelle, quaderni delle Scienze n. 103, 1998
- Lederman Leo, Dai quark al cosmo, Zanichelli, 1991
- AA. VV., Quark 2000, la fisica fondamentale italiana e le sfide del nuovo millennio, Le Scienze, 1997

Per le risorse in rete, vi consiglio di consultare “L’incredibile neutrino”, a cura dell’INFN, dove è spiegata con chiarezza la differenza tra le tre specie di neutrino: elettronico, muonico e tauonico.