La curiosità del mese a cura di Gabriele Ghisellini
Cosa sono i neutrini? Un po` di storia…
Sono il prodotto del decadimento di particelle più grandi. Queste particelle, di cui ancora non si sapeva nulla, decadevano in un protone e un elettrone ma i conti energetici non tornavano.
Niels Bohr si spinse a proporre che l’energia, in questo processo, non era conservata (addirittura!). Wolfang Pauli invece ipotizzò nel 1930 che l’energia mancante era sottoforma di una nuova particella, non ancora scoperta, che chiamò neutrone. Ma nel 1932 Chadwick scoprì che quello che viene chiamato ancora oggi neutrone era associato a una particella neutra con una massa leggermente maggiore di quella di un protone, che non poteva essere la particella proposta da Pauli. Pauli scrisse una lettera ai partecipanti ad un congresso che si teneva a Tubinga, lettera che è rimasta famosa, perché oltre ad ipotizzare una nuova particella, Pauli candidamente affermava che non poteva partecipare al congresso perché …. era impegnato ad una gara di ballo!
4 dicembre 1930: W. Pauli ai partecipanti ad un congresso di fisica a Tubinga
Cari Signore e Signori Radioattivi, a causa dello spettro continuo del decadimento beta, ho pensato a un possibile disperato rimedio per salvare le statistiche e il principio di conservazione dell’energia.
Si tratta della possibilità che esista nel nucleo una particella elettricamente neutra, che chiamerò neutrone, con spin 1/2, che rispetti il principio di esclusione, ma che sia diversa dai fotoni, in quanto non viaggia alla velocità della luce.
La massa del neutrone dovrebbe essere simile a quella dell’elettrone e comunque non maggiore dell’ 1% della massa del protone. Potremmo così spiegare lo spettro continuo assumendo che nel decadimento beta è emesso un neutrone assieme all’elettrone in maniera tale che la somma delle energie del neutrone e dell’elettrone sia costante.
Concordo sul fatto che tale rimedio possa sembrare incredibile poiché avremmo già dovuto osservare tali neutroni. Ma solo chi osa può vincere e la situazione difficile in cui ci troviamo è ben illustrata da una frase che il mio illustre predecessore, il Sig. Debye, mi disse recentemente a Bruxelles: … è meglio non pensarci per nulla …proprio come per nuove tasse… D’ora in avanti ogni soluzione merita di essere considerata. Sfortunatamente non potrò raccontarvi personalmente le mie idee a Tubinga in quanto dovrò restare qui a Zurigo a causa di una festa da ballo la notte tra il 6 e il 7 Dicembre…
La misteriosa particella di Pauli fu battezzata neutrino da Enrico Fermi, che elaborò anche la teoria che spiegava il decadimento del neutrone, ipotizzando l’esistenza di una nuova forza, la forza debole. Scrisse un articolo e lo inviò alla rivista Nature che fece il suo più̀ grande errore: lo rifiutò. Con la motivazione che “Contiene speculazioni troppo lontane dalla realtà̀ per essere di interesse per il lettore”. Anni dopo la redazione di Nature ammise il suo errore, e 22 anni dopo, nel 1956, il neutrino fu scoperto da Clyde Cowan e Frederick Reines (che per questo vinse il Nobel nel 1995).
Qual è l’importanza del neutrino? Sembra un paradosso: la sua importanza risiede proprio nella difficoltà nel rivelarlo. Pensate che ogni secondo, per ogni centimetro quadro, noi riceviamo 80 miliardi di neutrini dal Sole, che ci attraversano senza nessuna conseguenza. Ma se ci organizziamo e facciamo passare i neutrini attraverso milioni di tonnellate di materiale, allora può capitare che un neutrino possa interagire con un nucleo e formare una nuova particella: per esempio un muone, che è una particella carica. Il muone si incarica di preservare tutta l’energia dei neutrino, e siccome queste energie sono enormi, può succedere che attraversando uno strato di terra, o di acqua, o di ghiaccio, il muone possa andare più veloce della luce nel mezzo attraversato.
Francis Halzen
A questo punto Francis Halzen ebbe un’idea: se il neutrino attraversasse un blocco di ghiaccio, allora il muone che si è formato dall’interazione del neutrino con un pezzo di ghiaccio potrebbe essere visibile. Infatti, il muone (carico) potrebbe interagire con le molecole di ghiaccio e farle oscillare, per produrre un tipo di luce bluastra, chiamata luce Čerenkov. Siccome il ghiaccio è trasparente, il segnale fatto dal muone risulta visibile, anche se per pochi nanosecondi.
La soluzione è tanto semplice quanto ambiziosa: utilizzare il ghiaccio del Polo Sud come un gigantesco rivelatore di particelle. L’idea fu presentata negli anni 80 da Francis Halzen, premiato il 6 ottobre 2026 dall’Accademia di Stoccolma con il premio Nobel per la Fisica.
Quando un neutrino interagisce con il nucleo di un atomo nel ghiaccio, i muoni prodotti interagiscono con le cariche presenti nel ghiaccio, che a loro volta generano un brevissimo lampo di luce (si parla di nanosecondi). Questa luce può essere intercettata da sensori immersi nel ghiaccio (fotomoltiplicatori) e utilizzata per ricostruire l’interazione.
La costruzione di IceCube è una dimostrazione di alta tecnologia.
Il progetto prevede di trapanare il ghiaccio per formare 86 buchi, in ognuno dei quali trovava posto un rivelatore di neutrini (in pratica un potente fotomoltiplicatore) appeso con dei cavi alla superficie. Il trapano era aiutato da un getto di acqua calda, che si raffreddava in fretta, ma lasciava uno strato di ghiaccio molto trasparente.
Ogni buco aveva 60 cm di diametro, e il buco doveva avere più di 2500 metri di lunghezza. Nonostante queste difficoltà, tutta la costruzione durò solo circa 7 anni.
TXS 0506+056
Nel luglio 2018, IceCube ha annunciato di aver misurato con precisione la direzione di un neutrino di altissima energia emesso dal blazar TXS 0506+056, IceCube070922 un nucleo galattico attivo situato a 5,7 miliardi di anni luce di distanza nella direzione della costellazione di Orione. Questo evento aveva una significatività statistica di 3 deviazioni standard.
TXS 0506+056 venne scoperto nel 1983 come sorgente radio, riconosciuta come un nucleo galattico attivo negli anni ’90, e nel 2009 fu scoperta la sua natura di blazar (buco nero con un getto che ci punta contro). I satelliti gamma, come EGRET e FERMI, la riconobbero come una forte emettitrice di raggi gamma.
Questa è stata la prima volta in cui un rilevatore di neutrini è stato utilizzato per localizzare un oggetto nello spazio e indicarlo come fonte di neutrini cosmici. Decine di telescopi terrestri e spaziali (tra cui Fermi-LAT e MAGIC) hanno puntato le coordinate di iTXS 0506+056 osservando simultaneamente un’intensa emissione in raggi gamma, ottico, radio e raggi X.
NGC 1068
Analizzando un decennio di dati raccolti, nel 2022 IceCube ha individuato un secondo punto di origine con significatività statistica di 4,2 deviazioni standard: la galassia a spirale attiva NGC 1068 (M77). A differenza di TXS 0506+056, NGC 1068 è una galassia il cui centro è fortemente oscurato da polveri e gas che bloccano gran parte della radiazione elettromagnetica (come i raggi gamma). I neutrini sono gli unici “messaggeri” in grado di uscire dalla galassia, rivelando l’accelerazione di particelle nelle immediate vicinanze del buco nero centrale.
Chi è Francis Halzen
Francis Halzen è l’unico vincitore del Nobel per la Fisica 2026. Nato a Tienen, in Belgio, nel 1944, si è laureato in Fisica nel 1966. Tra il 1969 e il 1971 ha lavorato come collaboratore scientifico al Cern. Dal 1972 è professore alla University of Wisconsin-Madison e Principal Investigator dei progetti Amanda e IceCube. Il premier Nobel gli è stato assegnato proprio per “i suoi contributi decisivi all’esperimento IceCube”, il più grande osservatorio per i neutrini del mondo: si trova tra i ghiacci dell’Antartide e nel 2018 è riuscito a catturare le particelle inafferrabili che arrivano dal cosmo e che attraversano la materia senza lasciare traccia. Grazie a questa scoperta, le ricerche di Halzen hanno gettato le basi per un tipo di astronomia completamente nuovo: l’astronomia mutimessaggera.
Premi e riconoscimenti
– 1994 – membro dell’ American physical Society.
– 2013 – Premio Breakthrough of the Year dalla rivista Physics World per la prima scoperta di neutrini cosmici extragalattici
– 2015 – Premio Balzan
– 2015 – Premio Cocconi della Società Europea di Fisica
– 2018 – membro dell’Accademia Europea
– 2024 – membro della National Academy of Sciences americana
– 2026 – APS Medal for Exceptional Achievement in Research, il premio più importante dell’Americal Physical Society per la leadership di IceCube e la scoperta dei neutrini astrofisici di alta energia e delle loro sorgenti.
– 2026 – Premio Nober per la Fisica.
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