Il futuro della fisica del neutrino

Sin da quando gli uomini hanno acquistato consapevolezza di sé, sono stati sempre affascinati dallo spettacolo della volta celeste che, seduti accanto al fuoco, ammiravano nelle notti stellate; si sono interrogati sulla sua natura, hanno inventato miti e divinità, hanno narrato della creazione del mondo nella Genesi, e i filosofi hanno speculato per cercare di spiegarne l’origine. L’era dell’indagine scientifica dell’Universo è però cominciata solo nel momento in cui Galileo Galilei per primo ha puntato il cannocchiale verso il cielo, ma la narrazione della sua origine ed evoluzione continua ad affascinarci ancora oggi.
Nell’Universo, o almeno in quello fatto di materia luminosa, i neutrini, insieme ai fotoni,sono le particelle più numerose, all’incirca un miliardo di volte di più dei protoni e dei neutroni di tutte le stelle dell’universo.Eppure i neutrini sono stati definiti “la cosa più vicina al niente che esiste” e sono anche le particelle meno capite nel microcosmo delle particelle elementari.
Sappiamo oggi che la straordinaria varietà di forme con cui la materia si manifesta sulla Terra o nelle più lontane galassie dell’universo può essere ricondotta a dodici “mattoni fondamentali” e a quattro forze fondamentali per mezzo delle quali queste particelle elementari interagiscono tra loro; tra di esse troviamo i tre neutrini con tre “sapori” diversi.
Elusivi come fantasmi, essi interagiscono pochissimo con la materia con cui vengono a contatto e sono quindi in grado di attraversare indenni la terra, lo spazio, arrivando sino a noi dagli angoli più remoti e nascosti dell’universo. Il loro studio assume una duplice valenza, argomento molto caldo per la fisica delle particelle elementari, ma anche messaggeri che ci possono portare utili informazioni sugli eventi cosmici catastrofici che li hanno generati, sul funzionamento delle stelle e sulla loro morte, o ancora sui primissimi istanti di vita dell’universo.
Nonostante i grandi progressi degli ultimi decenni, molto tuttavia rimane ancora da scoprire su di essi. L’origine, i valori e la scala delle masse dei neutrini conosciuti sono ancora oggi oggetto di domande cui non sappiamo rispondere e quindi di ricerche in corso o già programmate.
Sappiamo oggi con certezza che i neutrini oscillano, cambiano la loro identità viaggiando nello spazio e nel tempo, si trasformano oscillando da un sapore a un altro. Il fenomeno delle oscillazioni è la dimostrazione che i neutrini hanno una massa e tra loro diverse, ma nulla ci dice su come le tre differenti masse siano ordinate e quali i loro valori assoluti di cui conosciamo al momento complessivamente solo dei limiti superiori.
, per i quali il Modello Standard non prevede siano necessariamente massivi. Inoltre rimane un mistero il perché i neutrini siano così leggeri, ben undici ordini di grandezza meno pesanti rispetto al top quark.
L’ordine o gerarchia delle tre masse è una questione ancora aperta di grande rilevanza; lo studio dei neutrini che escono dal sole e della loro interazione collettiva con gli elettroni nella materia,ci ha consentito di conoscere l’ordine di una delle coppie di neutrini di massa definita (autostati di massa), ma il quadro complessivo non è ancora noto e ci sono due possibili soluzioni note come gerarchia diretta o inversa delle masse dei neutrini. Per capire quale sia quella corretta, si possono usare vari metodi.
Il primo consiste nello sfruttare ancora “l’effetto materia” prodotto sui neutrini dal passaggio attraverso la Terra utilizzando come sorgente o i neutrini prodotti dai raggi cosmici nell’atmosfera o fasci artificiali di neutrini e antineutrini di tipo muonico prodotti da acceleratori di particelle. I neutrini atmosferici saranno utilizzati da un esperimento INO approvato in India e dall’esperimento PINGU che sarà una filiazione di IceCube in funzione al Polo Sud, così come ORCA lo sarà per il progetto Km3Net programmato nel Mediterraneo.
L’esperimento Noa in funzione negli Stati Uniti già utilizza invece fasci artificiali di neutrini/antineutrini. Sempre negli Stati Uniti si parla di un mega esperimento DUNE (Deep underground Neutrino Experiment) al Laboratorio Sanford in South Dakota,dove dovrebbe arrivare dopo un viaggio di 1300 Km,un nuovo e più potente fascio di neutrini prodotto al FermiLab vicino a Chicago. Si tratta di un progetto giustamente molto ambizioso che ha lo scopo di chiarire molti degli aspetti ancora ignoti sulle caratteristiche dei neutrini; un progetto su cui si stanno stringendo collaborazioni e alleanza ma allo stato attuale non ancora approvato e finanziato definitivamente. È da notare che DUNE dovrebbe consistere in un rivelatore TPC (Time Projection Chamber) da 40000 tonnellate di argon liquido, che pertanto utilizzerà l’innovativa tecnica già sperimentata con successo su scale di massa inferiori (intorno alle 600 tonnellate) dall’esperimento ICARUS al Laboratorio del Gran Sasso,che ha misurato il fascio di neutrini prodotti al CERN di Ginevra e indirizzati verso l’Abruzzo. L’altro progetto su fasci di neutrini misurati su lunghe distanze è Hyper-Kamiokande, un rivelatore a luce Cerenkov da un milione di tonnellate di acqua, in progetto in Giappone.
Tra gli esperimenti già approvati dedicati alla misura della gerarchia di massa troviamo poi alcuni esperimenti che utilizzano come sorgente i fasci di antineutrini prodotti dalle centrali nucleari a fissione per la produzione di energia industriale. In questo caso la tecnica utilizzata consiste nel misurare in un rivelatore di grandi dimensioni posto a opportuna distanza dalle centrali, la “scomparsa” degli antineutrini elettronici, sfruttando un effetto d’interferenza tra le oscillazioni nei tre sapori. Questo è il caso dell’esperimento JUNO già finanziato e al momento in costruzione,che sarà operativo entro il 2020 in un nuovo laboratorio sotterraneo che si sta scavando nel sud della Cina a 43 Km dalla città di Kaiping nella provincia di Guangdong. JUNO non è un esperimento esclusivamente cinese, ma una collaborazione con gruppi di ricerca europei e russi, compresa l’Italia. La partecipazione degli scienziati cinesi rimane comunque largamente maggioritaria sia in termini numerici sia finanziari. Su un costo complessivo di realizzazione di circa 230 milioni di euro, il finanziamento cinese copre, infatti, il 92% del totale e i gruppi cinesi rappresentano circa il 70% del totale dei partecipanti. A questo bisogna aggiungere 70M€ necessari per lo scavo e le infrastrutture del laboratorio che ospiterà l’esperimento, che sono a totale carico cinese.
In Corea si sta progettando un esperimento molto simile, RENO50, che tuttavia non ha ancora ricevuto l’approvazione finale.
Come detto, le oscillazioni dei neutrini possono accadere perché i neutrini di massa definita (autostati di massa) sono una mescola dei neutrini di “sapore” diverso, e viceversa quelli di sapore definito una mescola di autostati di massa. Gli esperimenti già conclusi o in atto hanno misurato l’entità del mescolamento, in altri termini hanno misurato con maggiore o minore precisione i parametri della matrice di mescolamento dei neutrini nota come matrice di Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) che descrive le probabilità di oscillazione dei neutrini mentre viaggiano nello spazio e nel tempo. Le probabilità di oscillazione dipendono dalle differenze dei quadrati delle masse (dette splitting delle masse) e non ci possono quindi aiutare a determinarne il valore assoluto. Esperimenti in grado di misurare con grandissima precisione lo spettro energetico di decadimenti beta possono determinare il valore assoluto del più leggero dei neutrini. L’esperimento KATRIN in costruzione a Karlsruhe in Germania che misura il decadimento beta del trizio, dovrebbe a breve darci la misura più precisa.
Fissare l’ordine dei valori delle masse porterà dei vantaggi anche agli esperimenti che si propongono di misurare l’eventuale violazione della simmetria CP nelle oscillazioni di neutrino o a quelli che hanno come scopo la misura di un rarissimo e finora mai osservato decadimento nucleare noto come decadimento doppio beta senza neutrino.
In fisica le simmetrie, che esprimono l’invarianza di un sistema fisico rispetto a una trasformazione, rappresentano una proprietà della formulazione matematica delle forze fondamentali che si esercitano tra le particelle elementari.
I fisici chiamano simmetria CP l’applicazione contemporanea della simmetria di carica C, cioè dello scambio particella-antiparticella, e della simmetria spaziale P (Parità) consistente nell’inversione spaziale delle coordinate.
Mentre la forza elettromagnetica e la forza forte che tiene i quark legati nei nuclei, sono invarianti rispetto a CP, così non è per la forza debole e la violazione di CP ha ricevuto numerose prove sperimentali dagli anni ’60 del secolo scorso in poi.
La violazione di CP potrebbe essere stata la causa della prevalenza della materia sull’antimateria nei primissimi istanti dell’universo dopo il BigBang, anche se al momento l’entità della violazione di simmetria di CP sembra non essere sufficiente per spiegare il prevalere della materia nell’universo.
Per quel che sappiamo oggi, infatti, non ci sono nell’universo galassie o altri corpi celesti isolati composti di antimateria, viceversa all’inizio di tutto materia e antimateria dovevano necessariamente essere state prodotte in quantità perfettamente uguali. L’eco di questa simmetria iniziale è proprio il fondo cosmico di microonde, creato dall’annichilazione della materia con l’antimateria. Qualcosa deve avere leggermente sbilanciato la materia rispetto all’antimateria e l’universo di cui noi oggi siamo parte, è il residuo di questa prevalenza di un “segno” rispetto all’altro, mentre tutto il resto si è annichilito in fotoni che oggi, dopo quasi 14 miliardi di anni,misuriamo auna temperatura di 2,7 gradi kelvin.
Nell’ipotesi che la matrice PMNS di mescolamento dei neutrini sia unitaria, può essere parametrizzata in funzione degli angoli di mescolamento e di una fase.CP che, se non nulla, potrebbe indicare la violazione di CP, che si manifesterebbe nel settore leptonico come un diverso comportamento nelle oscillazioni degli antineutrini rispetto a quello dei neutrini. La capacità degli esperimenti come DUNE o Hyper-kamiokande di misurare con sufficiente precisione il fattore di fase CP è anche intimamente correlata con la determinazione della gerarchia di massa e pertanto entrambe le misure sono di primario interesse e rappresentano gli scopi principali degli esperimenti di prossima generazione nel campo della fisica dei neutrini.
C’è però ancora dell’altro che non conosciamo sui neutrini.
Essi potrebbero essere particelle di Majorana invece che di Dirac e ogni neutrino di un dato sapore coincidere con la sua antiparticella. In questo caso la matrice di mescolamento dovrebbe essere modificata con un ulteriore fattore di fase che tuttavia non può essere misurato dagli esperimenti che osservano le oscillazioni dei neutrini.
Se il neutrino è una particella di Majorana è possibile però che si verifichi il decadimento doppio beta senza neutrino di alcuni nuclei, per i quali si è già verificato essere possibile il normale, ma già molto raro, decadimento doppio beta con l’emissione di due neutrini. Il processo di decadimento doppio beta senza neutrino è proibito dal Modello Standard e violerebbe la conservazione del numero leptonico. Alla possibile natura di Majorana dei neutrini è legata la possibilità di contribuire alla spiegazione della prevalenza della materia dell’universo attraverso un processo di leptogenesi.
Entriamo qui in un campo di ricerca possibile solo nei laboratori sotterranei al riparo dal disturbo creato dalla pioggia incessante di raggi cosmici che fluisce nell’atmosfera terrestre.
Il panorama mondiale di esperimenti in questo campo è molto ricco, gli isotopi utilizzati sono diversi e gli esperimenti competono in termini di sensibilità, proporzionale al prodotto della massa utilizzata per il tempo di esposizione, ma soprattutto trattandosi di un decadimento estremamente raro, in termini di radio purezza e capacità di discriminazione degli eventi di fondo. Negli stati Uniti troviamo EXO-200, in Giappone KamLand-Zen. Al Gran Sasso l’esperimento GERDA sta già accumulando dati, mentre CUORE dovrebbe entrare in funzione all’inizio del prossimo anno. Anche il laboratorio di Modane in Francia e Canfranc in Spagna sono attivi in questo settore e così il laboratorio Jinping in Cina e quello Yang-Yang nella Corea del Sud. Inoltre sono già allo studio o in preparazione esperimenti di nuova generazione tra cui nEXO e SNO+ in Canada, che tuttavia devono affrontare la sfida di abbassare notevolmente il numero degli eventi di fondo in esperimenti che utilizzano una massa dell’ordine della tonnellata. La sola speranza di un risultato positivo è legata all’ipotesi che la gerarchia di massa sia quella inversa, da qui quindi di nuovo l’interesse alla sua determinazione da parte degli esperimenti già in funzione o che dovrebbero esserlo nei prossimi anni.
Se la massa dei neutrini non può essere spiegata nell’ambito del Modello Standard delle particelle, sue possibili estensioni prevedono che accanto ai tre neutrini già conosciuti, ne esistono altri dotati di massa molto maggiore. Si parla, quindi, della possibilità di esistenza di uno o più neutrini sterili, così detti perché non soggetti a nessuna delle forze fondamentali che conosciamo, con l’unica eccezione della gravità. Deboli indicazioni sperimentali sembrerebbero puntare verso questa ipotesi e ciò ha stimolato la progettazione di nuovi esperimenti dedicati alla ricerca dei neutrini sterili per cercare di chiarire il meccanismo che rende massivi i neutrini.
Tra di essi vorrei citare SOX (Short distance neutrino Oscillation with BoreXino) che sarà realizzato al Laboratorio del Gran Sasso. Una potente sorgente da 100KCi di 144 Ce- 144 Prche emette antineutrini sarà trasportata al Laboratorio e posta sotto l’esperimento Borexino. Grazie alla massa del rivelatore e alla sua straordinaria radio purezza SOX dovrebbe aiutare a chiarire definitivamente la possibile esistenza di neutrini sterili alla scala dell’eV che alcune indicazioni sperimentali non conclusive sembrerebbero indicare.

Abbiamo visto che le ricerche sui neutrini hanno come scopo una più completa conoscenza di queste particelle che sono le meno note tra quelle elementari, ma l’interesse è stimolato anche dalla loro natura di formidabili messaggeri che ci portano informazioni sulle lontane sorgenti del cosmo che li hanno generati.
L’uomo ha da sempre osservato e studiato l’universo mediante la luce, prodotta o riflessa dai corpi celesti, dai più vicini del sistema solare, alla Via Lattea e sino alle più fioche sorgenti dell’universo.In seguito ha imparato a sfruttare l’intero spettro elettromagnetico, onde radio, raggi infrarossi, ultravioletti, raggi X, raggi gamma, che nel dualismo quantistico onda particella sono tutti fotoni di diversa energia. Se fino agli anni ‘30 erano solo i telescopi ottici a fornirci immagini dell’universo, man mano che l’osservazione si allargava ad altre frequenze,utilizzando radio-telescopi o strumenti sensibili ai raggi X o Gamma,abbiamo scoperto un universo che non conoscevamo.
Recentemente con la scoperta delle onde gravitazionali si è aperta una nuova finestra verso l’universo attraverso cui potremo osservare fenomeni e eventi celesti finora sconosciuti.
Dagli anni ’60 del secolo scorso abbiamo avuto a disposizione rivelatori che ci hanno consentito di osservare il cosmo anche con i neutrini, e la nascita dell’astronomia neutrinica ha inaugurato un nuovo modo di osservare l’Universo. L’osservazione dei neutrini solari è un ben consolidato campo di studi ormai da decenni, la Supernova Sn1987a ci ha fornito la prova che i violenti processi di collasso stellare e successiva esplosione di una supernova sono accompagnati dall’emissione di neutrini di energia di qualche MeV, misure cosmologiche ci hanno confermato l’esistenza di un fondo di neutrini di bassissima energia vecchi quasi quanto l’Universo. Sono tutti comunque neutrini la cui energia non si estende oltre l’intervallo dei MeV. Tuttavia avevamo già buoni motivi per ritenere che alcuni eventi cosmici siano fonti di neutrini di altissima energia e in anni recenti l’esperimento IceCube al Polo Sudha cominciato a fornirne anche le prove sperimentali.
Le galassie Attive, i lampi gamma, le pulsar sono tutti violenti eventi in cui grandi masse si scontrano, e sono quindi tutti buoni candidati in grado di accelerare particelle elettricamente cariche come i protoni fino ad altissime energie e produrre in associazione neutrini e gamma anch’essi molto energetici. Grazie ad IceCube, possiamo oggi studiare fenomeni astrofisici che avvengono a milioni, o anche a miliardi di anni luce di distanza dalla Terra.
Per il futuro si sta già programmando un rivelatore di seconda generazione IceCube-Gen2 per aumentare il numero di eventi prodotti dall’interazione dei neutrini di altissima energia e comprendere meglio le sorgenti che li generano.
Poiché in sostanza i grandi telescopi di neutrini osservano preferenzialmente il cielo dell’emisfero opposto, è necessario avere un telescopio anche nell’emisfero Nord per osservare il cielo di neutrini dell’emisfero sud non visibile da IceCube posto nell’Antartico.
La grande rete di telescopi Km3NeT sarà posta nelle profondità del Mediterraneo in tre siti, in Francia, davanti a Capo Passero in Sicilia, e in Grecia, e se raggiungerà le dimensioni del gigaton, completerà nel cielo dell’emisfero Sud la ricerca delle violenti sorgenti cosmiche che presumibilmente accelerano particelle cariche, raggi gamma e neutrini fino a elevatissime energie, affiancando così il telescopio IceCube posto in Antartide.

Tutti i grandi rivelatori di neutrini sono poi potenzialmente anche ottimi rivelatori di geo- antineutrini provenienti dal mantello e dalla crosta terrestre o di eventi di supernove nella nostra galassia. Proseguirà inoltre lo studio dei neutrini solari al Gran Sasso e in futuro anche nel laboratorio candese SNO+.

Guardando quindi alle prospettive future nel panorama mondiale dello studio dei neutrini, ci possiamo aspettare notevoli progressi sia nella comprensione delle sue caratteristiche sia nel loro utilizzo come potenti sonde di esplorazione dell’universo.
In un ideale “Gran Tour” scientifico a caccia di neutrini, possiamo inoltre notare che lo studio delle sorgenti cosmiche, del sole, della Terra, fino ai lontani e potentissimi acceleratori cosmici, si svolge in sostanza su molte località del nostro pianeta, nei laboratori sotterranei che spaziano dall’Europa, agli Stati Uniti, al Canada, al Giappone, Cina, Corea, o in luoghi estremi come il Polo Sud o le profondità del Mare Mediterraneo. Così avviene anche per le ricerche sull’ipotizzato decadimento doppio beta senza neutrini, finora mai osservato, che devono necessariamente svolgersi in laboratori sotterranei.
Al contrario le ricerche volte a completare il quadro delle nostre attuali conoscenze sulla matrice di mescolamento di queste elusive particelle, che devono avvalersi di fasci artificiali, prodotti da acceleratori o centrali nucleari, vedono il prevalere dell’Asia, in particolare Giappone e Cina, con programmi già delineati e sostanzialmente già finanziati. Gli Stati Uniti hanno in programma l’ambizioso progetto DUNE, che tuttavia non è ancora definitivamente approvato e finanziato, mentre l’Europaè totalmente assente.
Il CERN di Ginevra, sede della ricerca mondiale sui temi di fisica accessibili all’acceleratore LHC, il più potente al mondo, nel passato ha avuto un ruolo preminente anche nella fisica del neutrino, ricordo solo il fascio CNGS (CERN Neutrino Gran Sasso) che ha permesso all’esperimento OPERA la prima dimostrazione diretta delle oscillazioni di neutrino.
Il CERN ha deciso in anni recenti di fare solo da laboratorio d’appoggio per gli esperimenti su fasci artificiali di neutrini da realizzare negli Stati Uniti. Una decisione che s’inquadra nella consapevolezza che la strategia della ricerca deve essere ormai definita in un quadro internazionale più ampio dell’Europa, allo scopo di massimizzare l’efficacia delle risorse mondiali a disposizione.
Questo naturalmente ha avuto come conseguenza che il Laboratorio del Gran Sasso o una sua possibile estensione in un’area fuori dal Parco nazionale,o altri nuovi laboratori ipotizzati in Europa, non saranno nel futuro raggiungibili da fasci artificiali di neutrini,rimanendo quindi fuori dallo studio degli argomenti accessibili con il loro utilizzo.
Decisione sofferta che ha generato amarezza nella larga comunità di fisici europei esperti del settore. Se poi malauguratamente il progetto DUNE non dovesse essere realizzato, la supremazia asiatica diventerebbe sostanzialmente un monopolio.
Il neutrino può essere paragonato a un fantasma per la sua elusività e a un camaleonte per la sua capacità di trasformarsi da un “sapore” a un altro, nel futuro avrà anche solo occhi a mandorla?