Dopo il post della settimana scorsa sul primo evento dell’LHC mi sembra giusto ricordare che ci sono altri esperimenti di fisica in giro per il mondo e, in particolare, uno ha avuto i primi eventi lo scorso weekend.
Questo risultato è stato ottenuto nell’acceleratore J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), in Giappone, gestito dalla collaborazione dell’esperimento T2K , capeggiato dal Giappone ma che coinvolge ben 474 fisici in 13 nazioni differenti.
L’acceleratore J-PARC è sostanzialmente una fabbrica di neutrini (da non confondersi, però, con la neutrino factory , il suo equivalente occidentale) che spedisce queste interessantissime particelle su un rivelatore già noto nell’ambiente, ovvero Super Kamiokande.
Il Giappone è stato pioniere nella ricerca sui neutrini, con esperimenti di incredibile successo, come appunto Super Kamiokande e KamLAND . È proprio a questi esperimenti che si deve la scoperta e la prova scientifica dell’oscillazione dei neutrini.
I neutrini sono particelle piccolissime che, fino a qualche anno fa, si credevano essere completamente prive di massa, come i fotoni. Sono stati teorizzati la prima volta nel 1930, dal fisico Pauli, per spiegare il bilanciamento dell’energia nel processo di decadimento del neutrone. La prima osservazione però non è avvenuta che nel 1942, dal noto esperimento di Cowan-Reines che ha fruttato agli autori il premio Nobel nel 1993.
Il neutrino è una particella molto controversa, innanzi tutto perché interagisce veramente molto poco con la materia, e quindi è estremamente difficile da rivelare. In secondo luogo rappresenta una porta verso la nuova fisica. Infatti i neutrini possono essere di tre tipi diversi, esattamente come la loro controparte massiva. Fanno parte della stessa famiglia degli elettroni, ovvero sono anch’essi dei leptoni. L’elettrone ha due “fratelli”, che sono il muone e il tau, che differiscono dall’elettrone solo per la massa.
Così, anche i neutrini possono essere di tre tipi: elettronici (cioè come l’elettrone), muonici (da muone) e neutrini tau (come il leptone tau). La caratteristica sorprendente dei neutrini, però, è che possono oscillare da una famiglia all’altra, ovvero se ho un neutrino elettronico adesso e lo faccio viaggiare per una certa distanza, questo avrà una certa probabilità di trasformarsi in un neutrino muonico o tau.
Questo fenomeno ha lasciato a bocca aperta i fisici di tutto il mondo, soprattutto perché sarebbe del tutto impossibile se i neutrini non avessero massa. Così grazie agli esperimenti sopra citati si è riuscito a provare che i neutrini oscillano (per esempio creando un fascio di neutrini elettronici, per esempio dalle centrali nucleari, e contando quanti sono ancora elettronici dopo una certa distanza) e di conseguenza che, seppur piccolissima, hanno una massa.
Questa osservazione è di estrema importanza perché è il punto di passaggio tra il Modello Standard, ovvero la classificazione delle particelle accettata finora, e una nuova fisica. Il Modello Standard, infatti, non accetta che i neutrini possano avere una massa.
Acceleratori come l’LHC sono alla ricerca di particelle esotiche che vivono al di fuori del Modello Standard ma, in realtà, uno studio approfondito del neutrino può rispondere ad altrettante domande e rivelarsi di grandissimo interesse scientifico.
In Giappone sono già molti anni che si stanno impegnando in questa direzione, ultimamente con l’esperimento K2K che consisteva in un fascio di neutrini provenienti dal laboratorio KEK e poi studiati nel rivelatore di Super Kamiokande, nella montagna di Kamioka. Questo esperimento si è evoluto in T2K che vede i neutrini inviati dal laboratorio J-PARC a Tokai.
Questo laboratorio consiste in un anello di sincrotrone (analogo a quello presente in Italia a Trieste ) che accelera protoni a 30 GeV per farli collidere con un bersaglio di carbonio, al fine di creare particelle cariche chiamate pioni.
Questi pioni viaggiano conseguentemente in un volume di elio dove decadono producendo così i neutrini. I neutrini così prodotti andranno fino all’osservatorio di Super Kamiokande, ma prima passano per un rivelatore vicino, a soli 200 m dal punto della loro produzione, in modo da poter fare dei confronti con l’osservazione finale che si trova a ben 295 km di distanza.
Mentre il laboratorio di Super Kamiokande, seppur rinnovato per l’occasione, esiste già da molti anni, l’acceleratore di J-PARC è nuovissimo. Per questa ragione i primi 3 neutrini osservati lo scorso weekend nel rivelatore vicino chiamato INGRID rappresentano un passo importantissimo per la fisica dei neutrini.
Nel prossimo Dicembre ci saranno ulteriori test, per arrivare a regime nel Gennaio del prossimo anno, quando si potranno osservare eventi direttamente da Super Kamiokande. Il funzionamento andrà avanti per tutta l’estate, e alla fine del prossimo anno potremmo già avere i risultati, che potranno spiegare fenomeni di estremo interesse, come la violazione della simmetria carica-parità, e la misurazione precisa delle probabilità di oscillazione tra le tre famiglie leptoniche.
Fonte: Stony Brook University. “With First Neutrino Events, Physicists Closer to Answering Why Only Matter in Universe.” ScienceDaily 27 November 2009. 29 November 2009 .
