AFORISMA DEL GIORNO

28 settembre, 2011

Neutrino: la particella dissidente e trisaporita che sfida Einstein e viaggia indietro nel tempo? Spiegazione chiara di un dato (forse) epocale...


Dopo la sua morte, Albert Einstein non ha certo avuto una vita facile. Nonostante le migliaia di verifiche sperimentali che hanno confermato con assoluta precisione la sua teoria della relatività, che all’epoca in cui fu per la prima volta esposta – nel 1905 – era appunto solo una teoria priva di riscontri empirici, c’è sempre chi spera di demolire quello che oggi è il più solido tempio della fisica moderna. Non fosse altro perché Einstein è Einstein, un’icona, un “mostro sacro”, e coglierlo in fallo vorrebbe dire riscrivere in buona parte la fisica odierna e aggiudicarsi un sicuro premio Nobel. Perciò, di dichiarazioni sensazionalistiche al riguardo ne sono state fatte tante, nessuna delle quali davvero capace di incrinare la solidità della fisica relativistica. Eppure, il risultato raggiunto dall’esperimento CNGS (Cern Neutrinos to Gran Sasso) è tale da far tremare i polsi, perché ad annunciarlo non è certo un misconosciuto scienziato fai-da-te, ma la più importante comunità scientifica oggi attiva, che fa a capo al miracoloso acceleratore di particelle LHC del Cern di Ginevra. Proprio quello che, secondo teorie catastrofiste in voga qualche anno fa su Internet, avrebbe potuto produrre un buco nero capace di inghiottire tutta la Terra. Invece, il potentissimo acceleratore sta producendo scoperte sorprendenti e gli scienziati di tutto il mondo guardano a Ginevra allo stesso modo in cui le borse mondiali attendono trepidanti i responsi di Wall Street. Di per sé, la storia sembra molto più banale rispetto alle dichiarazioni sensazionalistiche dei media. Un fascio di neutrini, sparato dal Cern di Ginevra in direzione dei laboratori del Gran Sasso penetrando immense barriere di roccia (non certo viaggiando all’interno di un tunnel…) è arrivato a destinazione con 60 nanosecondi d’anticipo sui tempi previsti. Per capirci, un nanosecondo è un miliardesimo di secondo, e la differenza registrata rispetto alla velocità prevista, quella della luce – circa 300.000 km/s –, è di appena lo 0,0025%. Ma le implicazioni sono enormi. Gli scienziati si aspettavano che i neutrini viaggiassero a una velocità di poco inferiore a quella della luce: mai avrebbero immaginato che invece la superassero! Per capire le conseguenze possibili di questa scoperta bisogna comprendere alcuni elementi di base della fisica contemporanea. Che conseguenze ha la scoperta del Cern?

Innanzitutto, perché esiste il limite della velocità-luce? Nella sua teoria della relatività ristretta, Einstein aveva fatto notare che tutto è relativo, compresi lo spazio e il tempo. Viceversa, la velocità di luce è una costante universale (indicata con c): dovunque e in qualsiasi momento ci troveremo a misurarla, scopriremo che è sempre pari a circa 300.000 km/s nel vuoto. Ma perché proprio la luce? Perché la luce è impacchettata all’interno di una particella, il fotone, che non ha massa. Una conseguenza dalla nota equazione E=MC2 è che un qualsiasi corpo accelerato alla velocità della luce (c) dovrebbe aumentare la sua massa (m) all’infinito e richiedere un’energia necessaria per accelerarlo (e) infinita, entrambi cose impossibili. Il problema non si pone con il fotone, che non ha massa e quindi ha una velocità che è la massima raggiungibile nel cosmo: qualsiasi altra particella dotata di massa, dunque, deve necessariamente muoversi a una velocità inferiore. Per molto tempo si è ipotizzato che il neutrino non avesse massa, e pertanto viaggiasse alla velocità della luce. Esperimenti successivi hanno messo in dubbio questo assunto. Dunque, il fatto che un neutrino possa superare, per quanto di pochissimo, la velocità della luce, vuol dire che la costante fondamentale c non è più tale: o che, perlomeno, il record di velocità nell’universo non appartiene più al fotone ma al neutrino.

Ma cos’è un neutrino? Quella del neutrino è una storia molto italiana. A suggerirne per la prima volta l’esistenza fu Enrico Fermi, che battezzò così una particella allora soltanto teorizzata ma non osservata sperimentalmente. Doveva esistere, secondo gli scienziati, perché altrimenti la meccanica del decadimento radioattivo aveva qualcosa di sbagliato: quando un nucleo atomico radioattivo decade, produce infatti un’energia che all’epoca non si capiva bene da cosa fosse veicolata. Doveva trattarsi di una particella priva di massa dotata solo di una certa quantità di energia. Trovarla non fu facile: essendo priva di massa, non interagiva facilmente con il resto della materia. In effetti i neutrini viaggiano nell’universo superando qualsiasi barriera: passano all’interno del nostro corpo senza lasciare traccia, penetrano la Terra senza fermarsi nella loro folle corsa verso l’infinito. È stato calcolato che un neutrino dovrebbe sfrecciare all’interno di un blocco di piombo spesso 100 anni luce prima di avere solo il 50% di probabilità di fermarsi, interagendo con una particella dotata di massa e venendo da essa assorbito. Non c’è da stupirsi che la caccia al neutrino abbia costretto gli scienziati a fare salti mortali. I laboratori del Gran Sasso si trovano in profondità sotto la roccia perché in questo modo tutte le altre particelle dell’universo vengono fermate dal suolo terrestre tranne i neutrini, che penetrano il terreno e giungono fino ai rilevatori costruiti dai fisici. Un altro italiano, Bruno Pontecorvo, suggerì un metodo per individuare l’esistenza dei neutrini. Nelle profondità del sottosuolo del South Dakota, nel 1968, fu posto un enorme serbatoio riempito con 400.000 litri di tetracloroetilene. Si tratta di un composto organico costituito principalmente dall’isotopo Cloro-37, così detto perché costituto da 17 protoni e 20 neutroni (la loro somma costituite il “peso atomico” di un atomo). Se un neutrino si scontra con uno dei neutroni di Cloro-37, il fortunato neutrone decade emettendo un elettrone e trasformandosi in un protone. Quello che ne deriva è un nuovo atomo, costituito ora da 18 protoni e 19 neutroni: l’Argo-37. Raccogliendo nel serbatoio i neutrini prodotti dal Sole, fu possibile osservare che una minuscola ma sperimentalmente significativa quantità di Cloro-37 si era trasformata in Argo grazie all’interazione con i neutrini. Da allora, sappiamo che esistono.

Ma la storia non finì lì. Infatti si scoprì, con grande stupore degli scienziati, che il neutrino, dopo tutto, ha una massa. Nel 1980 un primo esperimento compiuto a Mosca portò ad annunciare che il neutrino possiede una massa di 45 eV (elettronvolt). Questo risultato è stato successivamente messo in discussione: verifiche sperimentali ne hanno significativamente abbassato il valore, che oggi risulta compreso tra 1 e 2 eV. Una massa così insignificante, fino a un milione di volte inferiore a quella dell’elettrone, che è la particella atomica più leggera, è talmente elusiva che ancora non si può dire con certezza che il neutrino abbia davvero una massa. E qui arriviamo alle sorprendenti conseguenze derivanti dalla scoperta del Cern-Gran Sasso. Delle due l’una: o il neutrino non ha massa, e allora può effettivamente viaggiare a una velocità di circa 300.000 km/s, o la possiede, e quindi non può viaggiare a quella velocità ma deve andare un po’ più piano. Come è possibile allora che vada addirittura un po’ più veloce? Può anche essere che verifiche successive, che verranno effettuate dagli Stati Uniti, mettano in discussione questa scoperta. Ma non è detto. È molto probabile che invece venga effettivamente confermato che il neutrino supera dello 0,0025% la velocità della luce. Secondo alcuni, c’è poco di cui preoccuparsi: magari i neutrini vanno più veloci, e allora semplicemente la costante c sarà data non più dalla velocità dei fotoni ma da quella dei neutrini nel vuoto, e l’equazione E=MC2 resterà tale, considerando solo che c è appunto ora dato dalla velocità del neutrino. Anche in questo caso le conseguenze sarebbero significative, ma non tanto quanto quelle che emergerebbero se effettivamente si ammettesse che il neutrino possiede una massa. Infatti, riprendendo l’equazione di Einstein, si è detto che nessun corpo dotato di massa, per quanto piccola, possa viaggiare alla velocità della luce; figuriamoci superarla! Ma se il neutrino ha massa, come invece sembra accertato, nel momento in cui interagisse con un’altra particella, venendone arrestata, dovrebbe trasformare la sua massa in energia, e produrre quindi un’energia infinita. Nulla di tutto questo è stato osservato, anche perché se ciò avvenisse l’universo sarebbe distrutto dalla liberazione di un’energia siffatta.

Allora la prospettiva è quasi fantascientifica: la velocità del neutrino non sarebbe la velocità-limite, ma esisterebbe una velocità ancora superiore, al di sotto della quale il neutrino può quindi tranquillamente viaggiare senza incorrere nel problema della massa-energia infinita. Se questo limite fosse significativamente superiore, e non di pochi nanosecondi, anche corpi di massa superiore a quella del neutrino potrebbero in teoria viaggiare a velocità vicine, uguali o superiori a quella della luce. Secondo alcuni fisici, particelle battezzate tachioni sfreccerebbero in effetti a velocità superluminali. Le bizzarre leggi della meccanica quantistica, per la verità, prevedono già che l’informazione superi la barriera di c. E’ il fenomeno dell’entanglement, che secondo Einstein costituiva un paradosso proprio perché imponeva il superamento della velocità della luce, un effetto considerato impossibile (si chiama “paradosso EPR” dalle iniziali di Einstein, Podolsky e Rosen che per primi lo teorizzarono). Senza entrare nei complessi dettagli, le verifiche sperimentali hanno accertato che due particelle prodotte dalla stessa particella-madre restano ‘legate’ anche a distanze superluminali, potendo istantaneamente produrre effetti l’una sull’altra quale che sia la loro distanza nell’universo. Un’eventuale conferma della scoperta del Cern-Gran Sasso potrebbe dare maggiore credibilità al fenomeno dell’entangelment, smentendo davvero Einstein, che riteneva tale fenomeno impossibile. Allora, in qualche modo, non esisterebbe nessun limite alla velocità dell’informazione nell’universo. La c non sarebbe più una costante.

C’è un problema che però frena gli scienziati. Le più grandi fonti naturali di neutrini sono le stelle, e soprattutto le supernove, poiché quando una grossa stella esplode libera una quantità enorme di neutrini. Nel 1987 i resti di una supernova lontana 168.000 anni-luce giunsero sulla Terra sotto forma di fotoni e neutrini. Se i neutrini avessero viaggiato a una velocità superiore a quella dei fotoni sarebbero dovuti arrivare circa quattro anni prima del segnale luminoso, ma invece la loro presenza fu individuata solo con poche ore di anticipo rispetto ai fotoni a causa del fatto che, secondo le previsioni, i neutrini vengono espulsi dalle supernove poco prima dell’esplosione finale (che emette i fotoni). Quindi, quei neutrini non andavano più veloce della luce. È vero però che si trattava di neutrini diversi da quelli dell’esperimento CNGS: erano neutrini elettronici, diversamente da quelli sparati dal Cern che sono muonici. Sì, perché i neutrini hanno tre “sapori” diversi (elettronico, muonico e tau) che possiedono masse diverse. Forse allora esiste un quarto sapore, il neutrino tachionico, che viaggia più veloce della luce? Forse, si sono spinti a ipotizzare altri, la velocità della luce è diversa nelle varie zone dell’universo? O magari i neutrini del Cern hanno preso una scorciatoia, penetrando per qualche istante all’interno di una dimensione nascosta, come prevede la teoria delle stringhe, secondo la quale esistono 10 dimensioni, di cui solo 4 (tre spaziali e una temporale) avvertibili con i nostri sensi?

Quale che sia la soluzione all’enigma, i fisici sanno che non sarà semplice. Se la scoperta sarà confermata, la teoria della relatività, pur restando valida, sarà superata da una teoria più completa, così come quella di Einstein superò perché più completa la teoria della gravità di Newton, che ancora oggi resta valida a scale “umane”. Pochi nanosecondi potrebbero stravolgere la nostra concezione del mondo; ormai, nemmeno la velocità della luce è più quella di una volta.

FONTE: Fanpage.it



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Dal CERN al Gran Sasso tra stupore e cautela si presentano i risultati delle misure sulla velocità del tempo di volo del neutrino nell’ambito dell’esperimento CNGS-OPERA. Dopo il comunicato stampa e il seminario di presentazione al CERN, lunedì 26 settembre è stata la volta del seminario ufficiale di presentazione dei nuovi e inattesi risultati presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. I risultati, anticipati da un’inaspettata fuga di notizie giovedì 22, sono stati mostrati in un seminario da Pasquale Migliozzi, trasmesso in streaming anche nella giornata inaugurale del XCVII congresso nazionale della Società Italiana di Fisica, che si svolge questa settimana a L’Aquila. L’esperimento, frutto di una collaborazione di 160 fisici, 30 istituti di ricerca, 4 centri di metrologia internazionali e 11 nazioni coinvolte, mostra per la prima volta un dato sperimentale in cui una particella, il neutrino, supera (seppur di poco) la velocità della luce. Queste particelle continuano a far parlare di sé come figlie anarchiche, ma particolarmente amate nella famiglia della fisica delle particelle elementari. Dapprima previste, ma non osservate. In seguito osservate, ma con pochissimi eventi. Massive, ma con masse sfuggenti. Ora si permettono anche di andare più veloce della luce (e quindi, potenzialmente, tornare indietro nel tempo. n.d.R)

“Il risultato ha potenzialmente un grandissimo impatto nel mondo della ricerca e pertanto richiede la massima cautela e prudenza”, ha sottolineato Antonio Ereditato, coordinatore dell’esperimento, all’inizio del seminario di Migliozzi, “e pertanto non è possibile parlare di scoperta, almeno fin quando non verranno effettuate misure indipendenti per confermare la sorprendente osservazione”. Stupore e cautela sono le parole più ricorrenti tra gli scienziati coinvolti nella ricerca, come confermano Alessandra Pastore dell’Università di Bari e Fabio Pupilli dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso – INFN che partecipano all’esperimento OPERA.

“Inizialmente siamo rimasti stupiti dall’inattesa osservazione sperimentale e questo ci ha spinto a essere cauti nella divulgazione dei risultati. Sono stati necessari 3 anni di presa dati e analisi accurate per scartare tutte le fonti di possibili errori sperimentali. Solo quando il dato è stato considerato abbastanza robusto si è ritenuto di poter passare al vaglio della comunità scientifica presentando la ricerca in un articolo“, raccontano i due ricercatori. In effetti i dati mostrati si riferiscono a misure relative a più di 15.000 eventi e le misure di sincronizzazione tra il momento della produzione del fascio di neutrini al CERN e quello della rilevazione nel rivelatore di OPERA mostrano un errore (10 nanosecondi) ben al di sotto del tempo di anticipo osservato (i neutrini arrivano con 60 nanosecondi prima di quanto aspettato). Ma nonostante questo, gli stessi autori della pubblicazione sono consci della necessità di andare più a fondo e trovare delle verifiche o delle smentite al di fuori della cerchia dei ricercatori direttamente coinvolti nel progetto.

“L’intento della pubblicazione e divulgazione dei risultati è principalmente di raggiungere un audience più vasto rispetto ai partecipanti all’esperimento per ricevere feedback dal mondo scientifico, senza scatenare clamore mediatico attorno a nuove presunte teorie prima della conferma, anche attraverso misure indipendenti, del risultato”. “La divulgazione dei dati avrebbe dovuto seguire un iter ben preciso con una successione di comunicati stampa e seminari ufficiali al CERN e al LNGS già in calendario da alcuni giorni”. La fuga di notizie che ha preceduto l’ufficializzazione della notizia il 23 settembre ha creato non poco scompiglio non solo nel mondo scientifico, ma anche nel mondo della comunicazione, soprattutto in Italia.

“L’approccio dei media stranieri è stato molto cauto con una maggiore attenzione ai contenuti del lavoro, mentre la stampa italiana è sembrata molto più attenta a titoli sensazionalistici che non rispecchiano le intenzioni degli autori del lavoro”. L’articolo, come sottolineato da tutte le persone coinvolte sia al CERN che al Gran Sasso, si chiude volutamente senza un’interpretazione teorica del dato e con una richiesta alla comunità scientifica di maggiori e indipendenti verifiche vista la portata dei nuovi risultati.

L’anomalia riscontrata nella velocità del neutrino maggiore di 20 parti per milione rispetto alla velocità della luce, considerato il limite massimo di velocità, dovrà pertanto essere discussa e verificata dalla comunità scientifica. Non ci resta che aspettare prima di poter aprire un nuovo capitolo nella storia della fisica.

AUTORE: Pietro Parisse
FONTE: Oggiscienza Blog

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