Primi tentativi per catturare i neutrini

Il primo a proporre un'idea su come potesse essere possibile rilevare la   presenza di neutrini fu Bruno Pontecorvo (B.Pontecorvo, Inverse ß process, Nuclear Physics Conference, 4 Settembre 1946).

L'idea è schematizzata nell'immagine qui a fianco ed utilizza il decadimento beta inverso.

La teoria prevede infatti che un neutrino attraversando la materia possa interagire con un neutrone producendo un protone ed un positrone. Un nucleo sarebbe quindi trasformato, dal passaggio del neutrino, in un nucleo con un numero atomico soperiore di un'unità e dalla contemporanea emissione di un elettrone.

Se il nuovo elemento prodotto fosse radioattivo se ne potrebbe rilevare la presenza attraverso la radiazione emessa ed il suo spettro ne permetterebbe l'identificazione con metodi radiochimici. Un elemento che si presta bene ad una trasformazione di questo tipo è il Cloro che, reagendo con un neutrino, si trasformerebbe in Argon, nucleo instabile con un tempo di dimezzamento di 35 giorni:

Come sorgenti di neutrini i fisici a quell'epoca pensano di utilizzare i rettori nucleari che, a partire dal 1954 cominciarono ad essere utilizzati nel mondo dopo il primo prototipo realizzato nel 1942 da Enrico Fermi nell'ambito del progetto Manhattan. I reattori nucleari producono infatti neutrini in due modi: sia attraverso le scorie radioattive, ossia i prodotti di fissione che, se decadono beta emettono neutrini ma soprattutto perchè producono molti neutroni liberi che, decadendo, emettrono neutrini. I realtà i neutroni nel loro processo di decadimento emettrono antineutrini secondo lo schema :

I primi tentativi di utilizzare il metodo suggerito da Pontecorvo per rilevare i neutrini furono effettuati da Raymond Davis.

I primi tentativi di Davis già mettono in luce alcune delle caratteristiche che accomuneranno tutti gli esperimenti sui neutrini ;

1) Poichè il neutrino interagisce molto debolmente, il rivelatore che si progetta dovrà contenere grande quantità di materia in modo tale che l'altro numero di atomi presenti renda apprezzabile la probabilità della reazione

2) Dovendo utilizzare grandi quantitativi di reagenti questi dovranno materiali facilmente reperibili e poco costosi

3) Poichè la superficie terrestre è costantemente bombardata da un gran numero di radiazione prodotta dai raggi cosmici, se si vuole effettuare un esperimento che rilevi i rari eventi prodotti dall'interazione del neutrino con la materia occorre schermare il rivelatore dai raggi cosmici. Per questo motivo tutti gli esperimenti anche attualmente in corso sui neutrini vengono effettuati sotto terra: in caverne, nei mari o sotto i ghiacci polari.

4) Nel caso poi si utilizzino metodi radiochimici, come quello proposto da Pontecorvo, occorre inoltre che il materiale bersaglio sia composto da un elemento in grado di trasformarsi in un elemento radioattivo in seguito all'assorbimento di neutrini. L'elemento radioattivo prodotto inoltre non doveva decadere troppo velocemente, per avere il tempo di misurare il tutto.

Come primo tentativo in questo senso, Davis costruì un serbatoio da 3800 litri di detersivo per il lavaggio a secco (tetracloruro di carbonio) nei pressi di un piccolo reattore nucleare, sempre a Brookhaven. Sapeva bene che i neutrini interagiscono poco con la materia, quindi attese varie settimane, con la speranza che il lasso di tempo fosse suffciente per la raccolta di reazioni e misurà l’Argon accumulato. I risultati furono sconfortanti: non c’era altro Argon al di fuori di quello imputabile alle reazioni con i raggi cosmici. Nessun segno di neutrini.

Ci riprovò nel 1955, stavolta costruendo una versione più grande del suo apparato, nei pressi del molto più potente reattore di Savannah River, lo stesso luogo in cui Reines e Cowan stavano svolgendo i loro esperimenti. Ancora una volta tuttavia non trovò nulla di interessante. Mentre Davis rimase a mani vuote Reines e Cowan acchiapparono la particella fantasma l’anno successivo, senza fruttare il ciclo cloro-argon proposto da Pontecorvo, bensì un liquido scintillante e tubi fotomoltiplicatori. Ma i giochi non erano certo finiti. Ora che Reines e Cowan avevano confermato l’esistenza di questa particella, Davis rivolse la sua attenzione ai neutrini creati all’interno del sole, invece che a quelli prodotto sulla Terra dai reattori di costruzione umana.

Ritroveremo quindi Davis più avanti, quando parleremo nei neutrini solari

Accenniamo qui al fatto che una delle cause del fallimento degli esperimenti da Davis era il fatto che i reattori nucleari producono principalmente antineutrini dal decadimento del neutrone , mente per indurre la reazione del Cloro erano necessari proprio neutrini. Ma nessuno all'epoca era a conoscenza dell'esistenza di antineutrini e la teoria elettrodebole non era ancora stata completamente sviluppata.