1962: un esperimento dimostra che i neutrini muonici ed elettronici sono diversi

Come fare dunque a comprendere se i neutrini sono o meno tutti uguali ? L'idea è schematizzata nell'immagine qui a fianco: se i due neutrini sono diversi facendo interagine neutrini elettronici con la materia otterrò elettroni mentre facendo interagire neutrini muonici con la materia otterrò muoni. Se invece i due neutrini sono identici in entrambi i casi otterrò la stessa quantità di elettroni e muoni.

Nello storico esperimento condotto nel 1962 da Lederman, Schwartz e Steinberger per la prima volta viene prodotto artificialmente un fascio di neutrini muonici sufficientemente energetico da permettere le reazioni  . Questo esperimento è reso possibile dallo sviluppo, a partire dagli anni '30, di macchine sempre più potenti in grado di accelerare le particelle per farle poi scontrare ed osservare i prodotti delle collisioni: gli acceleratori di particelle. Gli esperimenti condotti con gli acceleratori, che riescono a produrre in modo più "comodo" e controllato gli urti tra particelle, affiancano in modo sempre più efficace quelli condotti utilizzando i raggi cosmici e insieme porteranno allo sviluppo e validazione del modello standard delle particelle elementari così come tutt'oggi lo conosciamo.

La tecnica utilizzata nel 1962 è, seppur più raffinata, la stessa utilizzata oggi: un bersaglio viene bombardato da protoni accelerati ad alte energie. Essi, come nell'alto dell'atmosfera, interagendo con i nuclei del bersaglio producono diverse particelle, tra cui \( \pi \) positivi, negativi e neutri. Mediante l'utilizzo di campi magnetici opportunamente progettati vengono focalizzati i pioni positivi ed indirizzati verso un tunnel di decadimento in cui viene fatto il vuoto. Nel tunnel i pioni decadono in muoni e neutrini muonici: i primi vengono quindi assorbiti da uno strato di materiale ad alta densità mentre i neutrini muonici procederanno verso il rivelatore. 

Il bersaglio deve avere caratteristiche termo meccaniche eccellenti per resistere a fasci intensi e molto energetici. Oggi lo stato dell’arte sono tubi di grafite lunghi circa 2m con diametro di 3mm. Sono lunghi per fare in modo che i protoni possano tutti interagire in modo efficace e sono stretti perché vogliamo che le particelle prodotte per collisione dei protoni con la materia escano tutte , il prima possibile , senza perdere energia o trasformarsi nel bersaglio.

L'immagine qui a fianco mostra la pianta dell'esperimento di Brookhaven del 1962: protoni vengono accelerati fino a 15 Mev e fatti collidere con un bersaglio di Berillio. I pioni prodotti percorrono una zona di decadimento lunga 21 metri in cui decadono in muoni e neutrini. Per bloccare i muoni viene utilizzato un assorbitore di 13.5m di acciaio, oltre il quale sopravvivono solo i neutrini. Questi raggiungono infine il rivelatore, che deve far interagire i neutrini con la materia ed essere in grado di discernere elettroni e muoni.

A questo scopo viene utilizzata una camera a scintilla, tipologia di rivelatore inventato da poco da Conversi e Gozzini a Pisa. Il principio di funzionamento di una camera a scintilla è il seguente: ponendo due placche metalliche in un mezzo gassoso, placche che siano assai vicine tra loro, ed applicando tra esse una forte tensione, al passaggio di una particella ionizzante, cioè elettrizzate,  fa scoccare una piccola scintilla. Collegando insieme più camere è possibile seguire la traiettoria della particella con mezzi ottici o elettronici.

Il seguente video ne mostra un esempio artigianale:

Il tipo di traccia lasciata da un muone e da un elettrone è però molto diversa: un muone tipicamente lascia una traccia dritta e lunga, senza interazioni visibili, come quella che si vede nella foto della camera a scintilla dimostrativa mostrata qui a fianco.

Gli elettroni invece quando attraversano la materia generano sciami elettromagnetici, come quelli mostrati qui a fianco. 

Questa diversa configurazione delle tracce lasciate dai muoni e dagli elettroni permette dunque di discriminare le due tipologie.

I risultati dell'esperimento ( 3,5 x 10¹⁷ protoni sul bersaglio in circa 400 ore di misura) mise in evidenza 34 tracce con traccia singola compatibile col passaggio di un muone e nessun eveto di compatibile con uno sciame elettromagnetico prodotto da elettroni.

La conclusione era dunque chiara: i neutrini prodotti dal decadimento di muoni quando interagiscono con la materia producono muoni e sono dunque diversi dai neutrini prodotti insieme agli elettroni che interagendo con la materia producono elettroni.

Per questo esperimento Lederman, Schwartz e Steinberger vennero insigniti del premio Nobel nel 1988.

Oggi sappiamo che le particelle che costituiscono la famiglia dei leptoni del modello standard sono 3 : l'elettrone , il muone ed il tauone, l'ultimo ad essere scoperto nel 1974 ed il più pesante della famiglia. Ogni leptone ha il suo neutrino associato e la caratteristica che distingue i tre neutrini viene chiamata "sapore" : avremo così neutrini di sapore elettronico, muonico e tauonico. I primi interagendo con la materia generano elettroni, i secondi producono muoni e gli ultimi invece particelle tau.