Topic outline

  • L’inizio del 1900 fu un periodo ricco di nuove scoperte che aprirono le porte ad aspetti della fisica completamente nuovi: nel 1986 Thomson scopre l’elettrone e con questo si comprende che l’atomo ha una sua struttura interna di cui occorre comprenderne i componenti e le leggi che la governano. Nello stesso anno Bequerel scopre che alcune sostanze in modo spontaneo emettono della radiazione in grado di annerire una lastra fotografica: è la scoperta della radioattività naturale, fenomeno che guiderà alla comprensione della fisica nucleare.

    Proprio nel tentativo di spiegare i meccanismi che regolano il decadimento \( \beta \) Pauli postula l’esistenza di una particella, il neutrino, la cui esistenza verrà provata sperimentalmente solo molti anni più tardi.

    Nel 1911 intanto Victor Franz Hess, compiendo coraggiosi voli in mongolfiera scopre i raggi cosmici: il loro studio porterà alla scoperta nel 1932 del positrone, la prima antiparticella, e poi di numerose altre particelle instabili, la cui esistenza era fino al quel momento sconosciuta.

    A poco a poco accanto allo studio dei raggi cosmici si cominciano ad affiancare macchine in grado di riprodurre ciò che i raggi cosmici producono in alta quota, ossia urti tra particelle in grado di svelare i segreti della materia: inizia così la fisica delle alte energie condotta attraverso l'utilizzo di acceleratori di particelle sempre più potenti. Da queste ricerche nascerà il modello standard che riassume ciò che noi oggi conosciamo della materia, modello che contempla il neutrino tra i suoi componenti elementari.


  • I decadimenti radioattivi e l'ipotesi del neutrino.

    decadimento betaIl neutrino fu la prima particella postulata teoricamente per risolvere un problema che per decenni rappresentò un vero e proprio puzzle per i fisici: lo spettro continuo del decadimento beta.

    In questa sezione introdurremo le principali caratteristiche dei decadimenti nucleari spontanei e  analizzeremo le ragioni che portarono Pauli a postulare nel 1930 l'esistenza del neutrino.  Riassumeremo quindi i tratti più salienti della teoria sviluppata da Enrico Fermi per spiegare il decadimento beta assumendo valida l'ipotesi di Pauli

    • Il seguente video racconta come Marie Curie e Ernest Rutherford svilupparono i primi strumenti per misurare la radioattività delle sostanze e di come si giunse alla classificazione della radioattività in alfa, beta e gamma.


    • Il file introduce alla fisica dei decadimenti spontanei alfa, beta e gamma.

      Relativamente al decadimento beta viene presentata la prima interpretazione che ne venne data, sulla base delle misure sperimentali condotte. Questa tuttavia, se corretta, avrebbe portato i fisici a concludere che nel decadimento beta vengono violati i principi di conservazione dell'energia e della quantità di moto.

    • In una celebre lettera del 1930 Pauli propone "un possibile disperato rimedio" per salvare i  principi

      di conservazione: l'idea è che insieme all'elettrone nel decadimento venga emessa un'altra particella ( il neutrino). L'energia emessa nel decadimento, dovuta al difetto di massa, verrebbe così spartita tra elettrone e neutrino ed i principi di conservazione sarebbere ancora validi

    • La teoria che spiega come avvenga il decadimento beta avvenga fu elaborata da Enrico Fermi, che introdusse a tal fine una nuova forza fondamentale: la forza elettrodebole.
    • Make a submission
  • I neutrini esistono davvero !

    I neutrini sono particelle che interagiscono molto debolmente con la materia e questo le rende assai difficili da rilevare sperimentalmente. Passarono così 26 anni prima che nel 1956, dopo diversi tentativi falliti, Cowan e Reines riuscirono ad effettuare il primo esperimento che mostrava senza ombra di dubbio i segni del passaggio di neutrini dalla materia.


  • I neutrini non sono tutti uguali

    Nella prima metà del secolo sono molte le scoperte anche in altri settori della fisica: in particolare la fisica dei raggi cosmici mostra che oltre alle particelle che costituiscono la materia che ci circonda ce ne sono molte altre che però decadono rapidamente. Il mondo delle particelle elementari si popola rapidamente e la teoria prevede che alcune di esse decadano producendo anche neutrini. Ancora una volta è Pontecorvo il primo ad intuire che i neutrini non siano tutti uguali ed infatti nel 1962 si effettuò il primo esperimento che lo dimostra: oltre al neutrino elettronico esiste anche il neutrino muonico, prodotto per esempio dal decadimento del muone  nei raggi cosmici. Successivamente si dimostrerà che i sapori di neutrino sono tre (elettronico , muonico e tauonico) come tre sono i leptoni ad essi associati.

    • Col volo di Hess nel 1911 gli scienziati hanno la conferma che la terra è costantemente bombardata da una radiazione che "arriva dall'alto", a cui si dà il nome di raggi cosmci.

      Ha così inizio una delle avventure più affascinanti della fisica del '900 che porterà alla nascita della fisica delle particelle e delle alte energie. Una sintesi completa della fisica dei raggi cosmici la si può trovare nell'omonima sezione di skylab. Qui riporteremo solo quei risultati che interessano in modo specifico la fisica dei neutrini.

      Con la conosecnza sempre più completa delle reazioni indotte dai raggi cosmici con  l'atmosfera si comprende così che oltre ai reattori nucleari anche l'atmosfera  è una costante sorgente naturale di neutrini.

    • In cosa dovrebbero differire il neutrino muonico ed il neutrino elettronico se sono entrambe particelle a massa nulla e carica nulla? Nel modo in cui esse interagiscono con la materia: i neutrini muonici interagendo con la materia dovrebbero produrre muoni mentre i neutrini elettronici dovrebbero produrre elettroni. Questo diverso comportamento è stato infatti osservato per la prima volta nel 1962 con un esperimento appositamente allestito nell'acceleratore di Brookhaven negli stati Uniti.

  • Il problema dei neutrini solari

    Negli anni '40 si comincia ad ipotizzare che il processo che produce  l'energia che permette al sole ed alle altre stelle di brillare sia la fusione nucleare. La teoria sviluppata da Bethe nel 1939 prevede che nella catena di reazioni che portano l'idrogeno a fondersi in elio venga prodotto un flusso consistente di nutrini.

    Bahcall è il teorico che studia nel dettaglio e calcola il flusso di neutrini prodotti dal sole che ci si aspetta investano la terra. Ray Davis allora progetta e realizza il primo esperimento che riesce a rivelare i neutrini solari.

    I primi risultati ottenuti da Ray Davis nel 1967 sono al tempo stesso un successo e un apparente fallimento: l'esperimento rivela effettivamente neutrini solari ma essi sono circa un terzo dei neutrini attesi. Si apre così un mistero che impiegherà più di 30 anni per essere chiarito in modo incontrovertibile.

    • Nel sole avvengono diverse reazioni nucleari che portano l'Idrogeno a fondere in Elio con l'emissione di energia. Nelle svariate reazioni che hanno luogo nel sole la teoria prevede che vengano emessi anche neutrini con spettri di energie diversi tra loro. Riuscire dunque a rivelare il flusso di neutrini prodotti dal sole diventa un modo per validare il modello di funzionamento del sole
    • Se la teoria di Bethe era corretta il Sole avrebbe dovuto rappresentare una sorgente formidabile di neutrini. Nel suo articolo del 1939 Bethe non fece cenno alla misurazione dei neutrini come metodo per convalidare la sua teoria ma l'opportunità di sbirciare nel cuore del Sole attraverso i neutrini catturò l'immaginazione di Ray Davis.

    • Dopo le prime misure di Davis del 1968 che misurano il flusso di neutrini solari mostrando però un deficit nella quantità degli stessi, molti altri esperimenti si dedicheranno negli anni successivi alla misura dei neutrini solari. Tutti però mostarono un deficit nel numero di neutrini rivelati rispetto al numero di neutrini attesi.

      Il problema venne chiarito in modo conclusivo con l'esperimento SNO del 2001 che dimostra la validità dell'ipotesi di oscillazione del neutrino formulata per la prima volta ancora da Bruno Pontecorvo e che verrà discussa nel dettaglio nella sezione successiva.

  • L'oscillazione dei neutrini