L'Era del Neutrino- Guida Grafica a Quattro Esperimenti Senza Precedenti nel Mondo

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Team di ricercatori, in diverse parti del mondo, stanno focalizzando la loro attenzione su una elusiva particella subatomica: il neutrino.

Come già chiarito nel post "Prof., che cosa sono i neutrini?", essi sono le particelle subatomiche elementari, elettricamente neutre, più abbondanti dell’universo e dotate di una massa piccolissima.
In realtà, i neutrini sono più abbondanti di qualsiasi particella diversa dai fotoni, i quanti di luce, la cui esistenza fu postulata nel 1905 da Einstein per giustificare l'effetto fotoelettrico. Successivamente, negli anni venti, i quanti di luce einsteniani furono chiamati fotoni da Gilbert N. Lewis.


I neutrini sono elettricamente neutri, il che significa che non sono influenzati dalla forza elettromagnetica, agente sulle particelle cariche. Essendo dei leptoni, non sono coinvolti nell'interazione forte, che agisce sulle particelle all'interno dei nuclei atomici tenendoli uniti. I neutrini sono soggetti all'interazione debole ed alla gravità. L'interazione debole avviene a raggio molto corto, e la gravità è estremamente debole su scala subatomica. Così, i neutrini passano attraverso la materia ordinaria senza impedimenti e perlopiù inosservati. 

I neutrini possono essere creati in diversi modi: in alcuni tipi di decadimento radioattivo, nelle reazioni termonucleari come quelle che avvengono nel Sole, nei reattori nucleari, quando i raggi cosmici colpiscono gli atomi, e nelle supernovae. La maggior parte dei neutrini nelle vicinanze della terra provengono dalle reazioni nucleari solari. Infatti, circa 65 miliardi di neutrini solari al secondo attraversano ogni centimetro quadrato della superficie terrestre.

Per lungo tempo si è ritenuto che i neutrini fossero privi di massa, ma, come anzidetto, essi hanno in realtà una massa piccolissima, come implicazione del fenomeno quantomeccanico, denominato oscillazione del neutrino, cui sono soggetti: un neutrino, creato con un determinato sapore, può cambiare tale sapore periodicamente mentre si propaga attraverso lo spazio e la materia.
In sintesi, esistono tre tipi differenti di neutrino: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico, che sono direttamente correlati con i leptoni del modello standard (elettrone, muone e tauone).

Il fenomeno dell'oscillazione neutrinica, predetto per la prima volta da Bruno Pontecorvo nel 1957, che poi sviluppò l'idea negli anni successivi, è stato osservato da una moltitudine di esperimenti in molti contesti diversi: per la prima volta in ambito astrofisico nel 1998, grazie all'osservatorio Super-Kamiokande, e in seguito tramite esperimenti di laboratorio, come OPERA, che sfrutta neutrini prodotti al CERN e inviati ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso.

A proposito dell'esperimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), potete leggere il post "Dal CERN al Gran Sasso il neutrino ha fatto tau!", riguardante il noto evento risalente al 2010, in cui è stato osservato, in modo indiretto, un unico neutrino che da muonico si è trasformato in neutrino- tau, dopo oltre tre anni di ricerche e miliardi e miliardi di particelle "sparate" nel sottosuolo, dalle Alpi svizzere all'Appennino abruzzese.

A giugno del 2015, sempre OPERA ha rilevato la quinta interazione di neutrino tau. 

L'oscillazione del neutrino, inoltre, si è rivelata essere la soluzione del problema di vecchia data dei neutrini solari.

Il fenomeno dell'oscillazione implica che la massa dei neutrini sia diversa da zero, fatto non previsto dal Modello standard della fisica delle particelle.
L'oscillazione tra sapori diversi, durante la propagazione, significa che un neutrino elettronico, prodotto in una reazione di decadimento beta, potrebbe arrivare in un rivelatore come neutrino muonico e tauonico. Il fenomeno richiede che neutrini di sapori diversi abbiano masse diverse, anche se molto piccole. Dalle misure cosmologiche, sappiamo che la somma delle masse dei tre neutrini deve essere inferiore a un milionesimo di quella dell'elettrone

Il meccanismo che genera la massa dei neutrini è tuttora un problema aperto e dibattuto. In definitiva, il neutrino è una particella alquanto elusiva, di cui si conosce ancora ben poco.

"Queste sono le particelle di materia più diffuse nell'Universo di cui siamo a conoscenza, e probabilmente le più misteriose", dice Nigel Lockyer, direttore del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) di Batavia, Illinois.

Quattro esperimenti senza precedenti sembrano pronti per cercare di saperne di più.
Due, uno in Cina e uno in India, hanno già il via libera, mentre sono in allestimento progetti per erigere rilevatori in Giappone e negli Stati Uniti. 
Tutti e quattro gli esperimenti, costruiti nel sottosuolo per evitare interferenze di altre particelle, sono progettati per rilevare molti altri neutrini, e per sondare il processo di oscillazione in modo più dettagliato rispetto ad ogni altro esperimento esistente.

Le aspettative sono, comprensibilmente, elevate: si attendono risultati per fornire risposte ad alcune delle domande fondamentali della cosmologia. Alcuni degli esperimenti produrranno i propri neutrini; tutti utilizzeranno ciò che potranno catturare dal Sole o dalle esplosioni di supernova. "L'era del neutrino", afferma Lockyer, "potrebbe andare avanti per molto tempo."
I quattro esperimenti sono di seguito indicati e linkati per permettere di acquisire informazioni in merito a ciascuno di essi:

► Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), Stati Uniti
► Hyper-Kamiokande, Giappone
► Jiangmen Underground Neutrino Observatory (Juno), China
► India-based Neutrino Observatory (INO), India

Ecco il link all'infografica che apre questo articolo (cliccare), dove potete leggere i dati sintetici riferiti a ciascuno dei quattro esperimenti.

Da questo link, potete scaricare la guida grafica completa ai quattro esperimenti, in formato pdf>> cliccare

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Riferimenti

Age of the neutrino: Plans to decipher mysterious particle take shape