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0396. Qual è la differenza tra neutrini "tout court" e neutrini di Majorana?

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Potreste chiarirmi la differenza tra i neutrini "tout court" e i neutrini di Majorana? In cosa differiscono, nella massa o nei numeri quantici? Ci sono esperimenti in corso su questo tema? (Buonvigo Sarelli) (2243_3223_5660)


Rispondono due dei nostri esperti

1° Risposta

sem_esperto_gialloQuali sono le nostre conoscenze certe relativamente ai neutrini e quali sono i punti ancora da chiarire? Questo è il succo della domanda posta dal nostro web-nauta

Partiamo un po’ da lontano (ma non troppo). L’esistenza del neutrino fu ipotizzata, come è noto, da W. Pauli icona_biografia   nel 1930. Fu un’idea straordinaria, che faceva pulizia delle molte proposte, talvolta un poco stravaganti (anche se provenienti da eminenti scienziati), volte a spiegare lo spettro energetico degli elettroni emessi nel decadimento beta dei nuclei atomici, cioè nella trasformazione di un nucleo in uno avente numero atomico superiore di una unità rispetto al nucleo padre.

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Alcune caratteristiche di quella particella furono subito ben delineate: carica elettrica nulla, massa molto piccola, cioè molto inferiore alla massa dell’elettrone , momento angolare intrinseco (spin ) uguale a quello dell’elettrone (o del protone ) cioè uguale a ½ nelle cosidette unità naturali. Queste proprietà soddisfacevano tutte le richieste necessarie a spiegare gli effetti allora noti. Era anche evidente, allo stesso Pauli icona_biografia , che una tale particella sarebbe stata caratterizzata dalla proprietà di interagire pochissimo con la materia, cioè di avere un grande potere penetrante, ben superiore a quello delle radiazioni allora note. Poco dopo, E. Fermi icona_biografia formulò la sua teoria del decadimento beta.

Dopo molti anni (1956) due ricercatori statunitensi, F. Reines icona_biografia, poi insignito del premio Nobel per la fisica, e C. Cowanicona_quantibio , condussero un esperimento presso uno dei primi reattori nucleari a fissione di notevole potenza – il reattore di Savannah River - e rivelarono per la prima volta le interazioni di neutrino (o meglio, nel linguaggio di oggi, di antineutrino icona_glossario elettronico) con protoni. Questa fu una prova sperimentale ulteriore e diretta, dell’esistenza dei neutrini e della correttezza delle ipotesi fino ad allora fatte sulla loro natura.

Anni di ricerche sperimentali e teoriche portarono poi alla formulazione del cosiddetto modello standard icona_glossarioicona_esperto[94] della fisica sub-nucleare. In accordo con il Modello Standard icona_esperto, si afferma che esistono tre famiglie di quark icona_glossario, i costituenti dei cosiddetti adroni icona_glossario(protoni, neutroni ecc.) e tre famiglie di leptoni icona_glossario costituite da un leptone elettricamente carico e dal suo neutrino: l’elettrone ed il neutrino elettronico, il muone icona_glossario- particella a vita piuttosto breve circa 2 microsecondi icona_glossario, copiosamente presente ad esempio negli sciami prodotti dai raggi cosmici icona_glossario nell’atmosfera terrestre icona_esperto raggi cosmici ed il neutrino icona_glossariomuonico; il tauoneicona_glossario, particella osservata solo in esperimenti agli acceleratori ed il neutrino tau icona_glossario. Ovviamente, ad ognuna di queste famiglie, si deve associare la famiglia delle antiparticelle icona_faq, ad es. positrone ed antineutrino elettronico e così via.

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Tutta la fenomenologia icona_glossariodella particelle indicava l’esistenza di due numeri quantici che apparivano conservati nelle interazioni sub-nucleari: il numero barionico icona_glossario, attribuito a particelle come il protone, il neutrone e le loro consorelle di massa più alta ed il numero leptonico, di valore convenzionale + 1 per i leptoni ( + 1 per elettroni e neutrini elettronici, muoni e neutrini muovici, taoni e neutrini tauonici) e –1 per gli anti-leptoni. Inoltre, da tutta una serie di esperimenti assai accurati condotti ad acceleratori icona_glossario e reattori nucleari reattori , risultava evidente anche l’esistenza di un ulteriore numero leptonico, detto di famiglia, che attribuiva un particolare numero quantico a ciascuna delle famiglie sopra citate.

Qualche esempio può chiarire la situazione:

------ il protone, in assenza di queste regole di conservazione, potrebbe decadere nel modo:

p —>; e+0 ( positrone + mesoni pi neutro)

violando dunque la legge di conservazione del numero barionico e del numero leptonico; questo processo non è mai stato osservato sperimentalmente;

------il muone potrebbe decadere in elettrone più un raggio gamma:

μ—> e + γ

violando la legge di conservazione del numero leptonico di famiglia; anche questo processo non è mai stato osservato.

Il Modello Standard icona_glossario descrive anche le modalità con cui possono avvenire le interazioni deboli , unificate poi con quelle elettromagnetiche nella cosiddetta teoria elettro-debole, che descrive tutti i processi elettromagnetici e quelli deboli quali sono il decadimento beta , le interazioni di neutrini, il decadimento dei leptoni pesanti (  muone e  e tauone ) e così via.

In accordo con questa teoria, il neutrone può decadere nel modo:

n —> p + e- +νe

(col simbolo νe indichiamo un anti-neutrino elettronico)

Va osservato che l’anti-neutrino così prodotto ha lo spin orientato in modo equiverso alla sua direzione o, come si dice tecnicamente, ha elicità icona_glossario icona_esperto[369] positiva. Una particella con massa diversa da zero può trovarsi sia con spin equiverso che opposto alla sua direzione di moto. Una particella con massa nulla ha sempre la stessa elicità, cioè l’elicità è un numero quantico che caratterizza la particella. Particella ed antiparticella di massa nulla devono avere elicità opposte ( +1, -1). Per il neutrino, nella ipotesi di neutrini di massa nulla, l’elicità non può mai cambiare: il neutrino e l’antineutrino resterebbero particelle distinte. L’antineutrino così prodotto può interagire con un protone dando luogo ad un positrone ed un neutrone, ma non può interagire con un neutrone producendo un elettrone ed un protone. Questo per la legge di conservazione del numero leptonico. Nel modello standard i neutrini appaiono dunque come particelle a massa nulla, distinte dalle loro antiparticelle, cioè sono neutrini di Dirac icona_biografia.

Tuttavia, una serie di esperimenti icona_esperto[108] icona_pdf (avviati da circa venti anni e tuttora in corso) sui neutrini prodotti dalla radiazione cosmica icona_glossario secondaria e sui neutrini di origine solare portarono a concludere che il numero leptonico di famiglia non è strettamente conservato. Di fatto appare che i neutrini (di una certa famiglia) si trasformino in neutrini di un’altra famiglia. Strettamente parlando, quello che si è osservato è un deficit di neutrini osservati, cioè i neutrini emessi da una sorgente (sia essa la radiazione cosmica secondaria, il Sole o, come sperimentato più recentemente, un reattore nucleare icona_glossario ) giungono al rivelatore localizzato a distanza dalla sorgente in numero inferiore in modo significativo a quello previsto. Tutto il quadro sperimentale induce a formulare l’ipotesi che i neutrini “oscillino” nel tempo da un tipo di neutrino ad un altro tipo di neutrini icona_esperto[108] . Esperimenti attualmente in fase di avvio, fra tutti ricordiamo BOREX icona_linkesterno che consentirà di osservare nei laboratori sotterranei posti sotto il Gran Sasso icona_linkesterno , le interazioni di neutrini emessi da un fascio prodotto dall’acceleratore del CERN icona_linkesterno posto in Ginevra (a oltre 700 km di distanza) di studiare in buon dettaglio il fenomeno delle oscillazioni. Questo fenomeno ci avvicina alla domanda posta: l’oscillazione tra i diversi tipi di neutrini è possibile solo se i neutrini sono dotati di massa. Gli esperimenti citati danno una indicazione sulle differenze di massa tra i diversi tipi di neutrini, differenze molto piccole (millesimi di elettronvolt o meno) e quindi, seppure indirettamente anche sulla massa.

A questo punto, prende vigore la domanda, posta fin dagli albori della teoria dei neutrini da E. Majoranaicona_biografia : i neutrini sono identici agli antineutrini, cioè sono neutrini, come si usa dire oggi, di Majorana, oppure sono fondamentalmente diversi dagli antineutrini, cioè sono distinti tra loro da un numero quantico rigorosamente conservato, cioè sono, in breve, neutrini di Dirac?

Se neutrino ed antineutrino sono identici, cade automaticamente la legge di conservazione del numero leptonico. Vi è, almeno secondo l’odierna visione di queste problematiche, un esperimento principe per chiarire il problema: si tratta della misura del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini.

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Molti esperimenti sono in preparazione in tutto il mondo per studiare i neutrini. Nel laboratorio sotterraneo dell’INFN icona_linkesterno al Gran Sasso icona_linkesterno si stanno preparando tre nuovi enormi rivelatori dai nomi esotici: Borexino icona_linkesterno , OPERA icona_linkesterno , e Icarus icona_linkesterno che nei prossimi anni sveleranno i molti misteri che ancora circondano i neutrini. L’’esperimento borexino icona_linkesterno è costituito da 300 tonnellate di liquido scintillatore visto da 2200 rivelatori fototubi.

Nella foto si vede i’interno del contenitore prima del riempimento. Sono identificabili parte dei 2200 fototubi Si consideri un tripletto di isobari, cioè di nuclei con uguale numero nucleoni, (A,Z), (/A,Z+1) e (A,Z+2), dove A è il numero di massa (cioè la somma dei neutroni e protoni di ognuno dei tre nuclei del tripletto) e Z è il numero atomico (cioè la carica dl nucleo ovvero il numero di protoni che lo compongono). Se il numero di nucleoni A è pari si presenta quasi sempre la seguente situazione per quel che riguarda le loro masse: M(A,Z) < M(A,Z+1) ma, M(A,Z) > M(A,Z+2).

Esempi sono il tripletto Ge icona_chimica ,As icona_chimica e Se icona_chimica di numero di massa 76, il Te icona_chimica , I icona_chimica , Xe icona_chimica di massa 130. Il decadimento beta (A,Z) —>(A,Z+1) è proibito per conservazione dell’energia, invece è permesso il decadimento (A,Z) —> ( A,Z+2) secondo lo schema: (A,Z) —>( A,Z+2) + 2 elettroni + 2 antineutrini elettronici. Si ha dunque un doppio decadimento beta. Il processo è consentito da tutte le regole note e di fatto esso avviene, anche se con vite medie icona_glossario icona_esperto[37] molto lunghe, tipicamente di 1020 anni , tali cioè da far apparire il nucleo (A,Z) come stabile.

Il processo però potrebbe avvenire anche senza emissione di neutrini, cioè nel modo (A,Z) —>(A,Z+2) + 2 elettroni. Come potrebbe avvenire questo il processo? Un neutrone del nucleo (A,Z) decade con emissione di un elettrone ed un antineutrino. L’antineutrino, se identico al neutrino e se è dotato di massa (cioè se è un neutrino di Majorana), può essere assorbito nello stesso nucleo (A;Z+1) da un neutrone, provocando l’emissione di un secondo elettrone. Si ha così il decadimento beta doppio senza emissione di neutrini. L’osservazione del decadimento descritto dimostrerebbe prima di tutto che il numero leptonico non è conservato e, anche, che i neutrini sono del tipo di Majorana, cioe dotati di massa e identici agli antineutrini. La teoria prevede anche che la probabilità del processo sia proporzionale al quadrato della massa del neutrino o, meglio ad una opportuna combinazione delle masse dei neutrini.

Sono stati effettuati numerosi esperimenti, volti a rivelare questo processo, tutti con esito negativo. Pochi anni fa però, fu annunciato un risultato positivo, cioè l’osservazione del decadimento beta doppio dell’isotopo 76 del Germanio icona_chimica . Questo esperimento, svolto da una collaborazione russo-tedesca al Gran Sasso icona_linkesterno, suscitò molto interesse, ma anche un poco di scetticismo. Comunque, come sempre in queste situazioni, la risposta può venire solo da ulteriori e più evoluti esperimenti. Attualmente sono in corso due esperimenti importanti, il primo in misura da tempo, che si basa su di una tecnica molto raffinata, cioè quella dei bolometri icona_glossario raffreddati a temperature molto basse, pochi millesimi di grado al di sopra dello zero assoluto icona_esperto[258] , ed è volto alla ricerca del decadimento beta doppio dell’isotopo 130 del tellurio icona_chimica ; il secondo, in fase di preparazione, ancora sull’isotopo 76 del germanio icona_chimica . Entrambi questi esperimenti sono installati presso i Laboratori sotterranei del Gran Sasso icona_linkesterno.

In pochi anni, si dovrebbe avere la conferma del citato risultato positivo e quindi la definizione della natura dei neutrini, quali neutrini di Majorana ed una stima dell a loro massa, che ci aspetta di frazioni di elettronvolt icona_glossario . In caso negativo, sicuramente saranno progettati nuovi apparati per raffinare ulteriormente le misure con il fine di definire la natura intima dei neutrini.

Puccio Bellotti – Fisico

2° Risposta

sem_esperto_verdeVolendo spiegare la questione in maniera rigorosa dovremmo trattare il complesso meccanismo per il quale le varie particelle elementari acquisiscono una massa icona_faq . Si parla iquesto caso di due possibili masse a seconda del diverso meccanismo di generazione: di Dirac icona_biografia o di Majoranaicona_biografia . L'elettrone , i quark e tutte le altre particelle elementari con massa e cariche elettrica sono dette particelle di Dirac. Tali particelle sono chiaramente differenti e distinguibili dalle relative antiparticelle avendo opposto valore della carica elettrica. Per i neutrini , particelle a carica elettrica nulla, è invece possibile che il neutrino risulti del tutto indistinguibile dall'antineutrino icona_esperto[65] . In questo caso è possibile costruire nella teoria dei campi una massa detta appunto di Majorana icona_biografia .

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Molti esperimenti sono in preparazione in tutto il mondo per studiare i neutrini. Nel laboratorio sotterraneo dell’INFN icona_linkesterno al Gran Sasso icona_linkesterno si stanno preparando tre nuovi enormi rivelatori dai nomi esotici: Borexino icona_linkesterno , OPERA icona_linkesterno , e Icarus icona_linkesterno che nei prossimi anni sveleranno i molti misteri che ancora circondano i neutrini. Nella foto vista dell’sperimento borexino. All’interno del contenitore si trovano 300 tonnellate di liquido scintillatore visto da 2200 rivelatori fototubi.

Se invece il neutrino risultasse comunque distinguibile dalla sua antiparticella, allora anche il neutrino sarebbe necessariamente una particella di Dirac. Al momento non sappiamo se il neutrino è una particella di Dirac o di Majorana. La seconda ipotesi è preferita teoricamente perché in questo caso si potrebbe anche spiegare come mai la massa dei neutrini è comunque molto minore di quella delle altre particelle elementari. Molti ricerche sono indirizzate a misurare la massa del neutrino e effettuare esperimenti in grado di svelare quale sia la natura di tale massa. Una risposta definitiva si potrà verosimilmente avere con la prossima generazione di esperimenti . Vari esperimenti sono alla infatti caccia del cosiddetto processo doppio decadimento beta nucleare senza neutrini. Se tale processo esiste allora i neutrini sono particelle di Majorana e quindi, coincidono con loro antiparticelle.

Antonio Ereditato - Fisico


 

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