1933: Fermi e la forza elettrodebole.

Se i neutroni non sono composti da protoni ed elettroni e se nel nucleo non esistono altri elettroni, come dobbiamo intendere il fatto che nel decadimento beta gli elettroni vengono emessi dai nuclei? La risposta fu data nel 1933 nel quadro di una nuova teoria della radioattività beta messa a punto da Enrico Fermi.

Fermi presentò la sua teoria al Congresso Solvay del 1933 “Struttura e proprietà dei nuclei atomici”

La teoria di Fermi della radioattività beta stabiliva che nel processo di emissione un neutrone interno ad un nucleo si trasformasse spontaneamente in un protone, un elettrone, e un neutrino secondo la reazione:

Fermi propose l'esistenza di un nuovo tipo forza, oggi detta forza debole, che si manifesta all'atto della trasformazione di un neutrone in protone provocando la creazione della coppia elettrone-neutrino.
Dunque, spiegava Fermi, l'emissione di un elettrone nella radioattività beta è simile all'emissione di luce da parte di un atomo eccitato, né la particella beta né la luce sono contenuti entro l'atomo prima dell'emissione, ma l'emissione della particella beta non è dovuta all'elettromagnetismo, bensì a una nuova classe di forze che doveva essere conosciuta come interazione debole.

Confrontando la distribuzione energetica degli elettroni prevista dalla teoria di Fermi con ciò che si era osservato sperimentalmente si poté concludere che la massa del neutrino doveva essere molto piccola, decisamente inferiore a quella dell'elettrone.

Il neutrino è una particella che non risente dell’interazione gravitazionale (ha piccolissima massa), non risente dell’interazione elettromagnetica (è neutro) e non risente dell’interazione nucleare forte (non è un nucleone). Questa particella risente solo della forza debole ed interagisce pertanto molto debolmente con la materia. Per questo motivo i neutrini sono in grado di attraversare molti km di materia ordinaria senza subire alcun effetto. Tutte queste ragioni ne hanno reso l’osservazione sperimentale molto difficoltosa.

Le idee di Fermi, alquanto rivoluzionarie non furono subito accolte con entusiasmo dal mondo scientifico. Emblematica a tal proposito fu la difficoltà che Fermi ebbe a vedere pubblicato l’articolo che scrisse nel 1934 dal titolo “Tentativo di una teoria dell’emissione dei raggi beta”

Nature, la più prestigiosa rivista scientifica rifiuta di pubblicare l’articolo perché “contiene speculazioni troppo lontane dalla realtà per essere di interesse per il lettore”. Qualche anno più tardi la redazione ammetterà l’errore.

L’articolo venne invece pubblicato in italiano dal Nuovo Cimento (la rivista della Società Italiana di Fisica) e in tedesco dalla rivista Zeitschrift fur Phisik.

Esiste in natura un secondo tipo di decadimento che, come il ß^-, è causato da un’interazione di tipo debole ed è il decadimento ß⁺ :

In questo caso il decadimento viene spiegato ammettendo che un protone del nucleo si trasformi in un neutrone emettendo la coppia positrone – neutrino:

I decadimenti beta rispettano gli stessi principi di conservazione del decadimento alfa: si conserva infatti il numero di nucleoni, la carica, la quantità di moto e l’energia (includendo la massa fra le forme di energia).

Nota: Quando i protone o il neutrone decadono all’interno di un nucleo atomico il bilancio energetico per stabilire se la reazione è possibile ed il successivo calcolo dell’energia emessa deve essere fatto a partire dalle masse dell’intero nucleo atomico. Il decadimento beta infatti, anche se può essere pensato come dovuto al mutamento di un singolo nucleone, è una trasformazione che coinvolge l’intero assetto nucleare alterando la conformazione energetica dell’intero nucleo di partenza e di arrivo.

Se consideriamo invece protoni e neutroni liberi, non legati all’interno di un nucleo atomico, possiamo osservare il decadimento del neutrone in protone è una reazione che può avvenire, e di fatto avviene in natura, poiché la massa del neutrone è leggermente superiore a quella del protone.

Viceversa, il decadimento di protone in neutrone è invece una trasformazione che non è possibile per protoni liberi poiché appunto la massa del protone è inferiore alla massa del neutrone. Questa piccola disparità di massa rende possibile la vita sulla terra in quanto garantisce la stabilità dell’idrogeno il cui nucleo, costituito da un solo protone, è infatti un elemento stabile.

Grazie all’interazione debole vi sono diverse altre reazioni che possono aver luogo. Ci preme qui citare in particolare il decadimento beta inverso:

La teoria prevede cioè che i neutrini, attraversando la materia, possano interagire con i neutroni e produrre protoni ed elettroni. Questi sono particelle di cui è possibile rivelare la presenza poiché, essendo cariche, ionizzano. La teoria di Fermi prevede anche le circostanze in cui ciò si sarebbe verificato e la probabilità con cui può accadere che risulta bassissima. Proprio queste stime indussero Pauli a scommettere una cassa di birra che la particella che lui aveva proposto non sarebbe mai stata rivelata sperimentalmente!