1956: Cowan e Reines scoprono il neutrino.

Nonostante l'esperimento di Reines e Cowan del 1956 passa alla storia come l'esperimento che ha provato l'esistenza del neutrino essi in realtà misurarono il flusso di antineutrini. Come tuttavia precedentemente accennato all'epoca l'esistenza dell'antineutrino non era nota ed i fisici trattavano indistintamente le due particelle.

L’idea su cui si basa l’esperimento progettato da Cowan e Reines è molto interessante: l'antineutrino avrebbe dovuto interagire con un protone tramite il decadimento beta inverso per produrre un neutrone e un positrone.

Il positrone non appena prodotto si annichila con un elettrone emettendo due raggi gamma, caratteristici da rilevare. Infatti per il principio di conservazione dell’energia ciascuno dei due fotoni possiede un’energia pari alla massa dell’elettrone E=m_ec² = 511 keV. Inoltre, poiché elettrone e positrone quando annichilano sono fermi e la quantità di moto del sistema è nulla, per la conservazione della quantità di moto i due fotoni sono emessi a 180° l’uno dall’altro. Dunque la rivelazione di due fotoni di 511keV in direzioni diametralmente opposta è un chiaro segno di un evento di annichilazione.

Il neutrone inoltre può essere rivelato tramite la sua cattura da parte di un nucleo. Questo dopo aver catturato il neutrone si assesta dal punto di vista energetico emettendo radiazione gamma. La coincidenza di questi due eventi -l'annichilazione del positrone e la rilevazione ritardata di un fotone gamma emesso a seguito della cattura neutronica- indicano l'avvenuta interazione dell'antineutrino.

Cowan e Reines effettuano il primo esperimento nel 1953 : la sorgente di antineutrini era in questo caso il reattore nucleare di Hanford (Washington) costruito durante la guerra per produrre plutonio per le bombe.

Essi utilizzarono per questo esperimento 300 lt di liquido scintillatore (acqua e clururo di Cadmio): i neutrini interagiscono con i protoni dell’acqua, creando neutroni e positroni. L'annichilazione del positrone con un elettrone generava poi una coppia di raggi gamma da 511keV.

Il cadmio invece è un assorbitore di neutroni molto efficiente ed emette raggi gamma di energia pari a 9 Mev con un ritardo tipico di 5 microsecondi dalla cattura neutronica.

I fotoni venivano rilevati da 90 tubi fotomoltiplicatori fissati alle pareti interne.

Se il loro esperimento avesse misurato due flash a 5 microsecondi di distanza temporale tra l’emissione di raggi gamma provocata la prima dall’annichilazione del positrone e la seconda prodotta dall’assorbimento del neutrone  allora avrebbero avuto la prova inconfutabile della presenza di un neutrino.

L’esperimento condotto nel 1953 non diede i risultati attesi a causa di una non sufficiente schermatura dai raggi cosmici.

Cowan e Reines pur mantenendo immutata l’idea di base dell’esperimento riprogettarono completamente l’intero apparato sperimentale: utilizzarono come sorgente il reattore di Savannah River Site (South Carolina) molto più potente che produceva un flusso di 10 ¹³ n (cm^-2 s^-1). Aumentarono la quantità di liquido scintillatore e portarono a 330 il numero di fotomoltiplicatori.

Posizionarono l’apparato sperimentale 12 metri sotto terra e lo schermarono accuratamente sia per neutroni da reattore che per i raggi cosmici.

Dopo cinque mesi di presa dati con e senza reattore acceso l’apparato registra con reattore acceso un numero di segnali 5 volte superiore a quelli registrati con reattore spento: è la prova dell’avvenuta reazione indotta dai neutrini.

Come Reines avrebbe ricordato in seguito "Fu una sensazione magnifica aver imparato in prima persona così tante cose nuove, e nel giugno del 1956 pensammo che fosse giunto il momento di annunciare la notizia all'uomo che diede il via a tutto questo, colui che da giovane aveva scritto quella famosa lettera in cui ipotizzava l'esistenza del neutrino". Reines e Cowan spedirono così a Pauli un telegramma con queste parole "Siamo felici di informarla che abbiamo definitivamente individuato i neutrini nei frammenti di fissione". Pauli si trovava a Ginevra per una conferenza e quando il messaggio lo raggiunse prese il telegramma e lo lesse ad alta voce.

Pauli scrisse questa risposta a Reines e Cowan il giorno dopo, in pieno accordo col suo carattere "Tutto arriva a colui che sa aspettare".

Reines ricevette il Nobel in fisica in condivisione nel 1995. Purtroppo Cowan era morto 20 anni prima e non potè ricevere lo stesso onore.