80 anni fa un giovane professore di Pisa scoprì il neutrino.

Si chiamava Enrico Fermi

i neutriniNell’aprile 1935 giunse finalmente a compimento un cammino di esplorazione iniziato meno di due anni  prima da un giovane professore di fisica teorica alla Normale di Pisa, un certo Enrico Fermi. Allora era quasi sconosciuto, ma nel tempo diverrà Premio Nobel, corso, piazza, istituto tecnico, stazione della metropolitana. Diventerà il più grande degli scienziati italiani, secondo forse, solo a Galileo Galilei, per l’immenso contributo che darà alla fisica. Con le sue invenzioni della pila atomica e della bomba atomica anche la fisica conoscerà il peccato e cambierà il corso della storia, la mentalità dei governanti. Un peccato che imporrà agli uomini di scienza un comandamento ulteriore: la scienza al servizio dell’uomo e non strumento del suo annientamento.

Questo anonimo professore nel ’33 aveva pubblicato un articolo umile nella forma come il suo autore, immenso nella sostanza come si rivelerà di lì a poco “Tentativo di una teoria della emissione dei raggi beta”. Fu la divina bellezza di un ingegno umano che regalava alla umanità una chiave per capire favole avvolgenti, verità sovrane, fenomeni che dominano la vita dell’universo, e che per allora apparivano solo nel racconto fantastico di poeti. Alla memoria di questo Michelangelo della scienza è dedicato questo piccolo ricordo di una grande avventura, con la speranza che alla fine dopo la difficile navigazione si colga la grandezza di un italiano del secolo scorso e l’importanza di quegli ignoti spazzini dell’universo che sono i neutrini.

Supponendo che non tutti abbiano dimestichezza con il lessico che sarà utilizzato saranno necessarie alcune premesse.

L’atomo: un atomo di un elemento qualsiasi è formato da un nucleo centrale e da una nuvola di elettroni. Il nucleo centrale è a sua volta costituito da neutroni e protoni, particelle che hanno la stessa massa ma carica diversa. I protoni hanno carica positiva esattamente uguale alla carica negativa dell’elettrone, mentre i neutroni non hanno carica elettrica. Un atomo qualsiasi è dunque caratterizzato dal numero di elettroni, pari al numero dei protoni, e dal numero di positroni (ovvero protoni + neutroni) contenuti nel nucleo. Esso è pertanto rappresentato nella forma xAy dove x rappresenta la carica elettrica del nucleo pari al numero di protoni, (detto anche numero atomico) mentre y rappresenta il numero totale di positroni, (detto anche peso atomico). Così per es. l’atomo di elio è rappresentato come 2He4 , ovvero numero atomico 2 (2 protoni) e peso atomico 4 (4 positroni: 2 protoni +2 neutroni).

Trasmutazione: è il fenomeno che permette a un nucleo di trasformarsi in un altro perdendo o acquisendo un protone o un neutrone. Il nucleo  xAy per effetto della trasmutazione diviene pertanto x-1Ay-1 se perde un protone, oppure  xAy-1  se perde un neutrone. Poiché è neutro, un neutrone in meno riduce il peso atomico, ma non il numero atomico. Ignoriamo per ora il nome di questo nuovo atomo.

Decadimento detto anche decadimento radioattivo o radioattività, è un insieme di processi nucleari attraverso cui alcuni nuclei instabili o radioattivi decadono (trasmutano), raggiungendo uno stato di maggiore stabilità grazie alla emissione di radiazioni alfa, ovvero nuclei di elio, beta, ovvero elettroni, o gamma, ovvero fotoni. In ogni decadimento la massa, la carica e l’energia del nucleo originario sono rigorosamente conservate.

Particelle stabili: le particelle stabili sono i protoni, gli elettroni, i fotoni, i neutrini. Tutte le altre particelle che compaiono in una qualsiasi radiazione hanno una vita più o meno lunga ma effimera, trasformandosi poi in particelle stabili.

Quando Fermi iniziò lo studio del decadimento beta, si trovò di fronte a una stravaganza non osservata negli altri due decadimenti. Infatti in coerenza con il decadimento alfa e gamma, l’equazione del decadimento beta sarebbe dovuta essere la seguente:

      A → B+e-                                                       (1)

Ovvero un nucleo A che diventava nucleo B con l’emissione di un elettrone negativo. Naturalmente era atteso che l’energia finale del sistema B+e- fosse uguale a quella iniziale del nucleo A. Fu invece stupito nel constatare che dopo il decadimento l’energia finale era inferiore a quella iniziale. Non solo. Ma l’energia dell’elettrone non era uguale alla ben definita differenza di energia dei due nuclei A e B, ma aveva valori qualunque in uno spettro continuo. Fermi ipotizzò che assieme al nucleo B e all’elettrone fosse emessa anche un’altra particella, di massa prossima a zero, di carica nulla ma capace di possedere l’energia mancante al bilancio globale. L’eq. (1) doveva essere dunque modificata come segue

       A → B + e- + ν°                                       (2)

in cui ν° era la particella neutra necessaria a soddisfare il principio della conservazione dell’energia. Dopo varie traversie e per ragioni diverse la particella ν° fu battezzata neutrino. L’aver spiegato il decadimento beta con l’ipotesi del neutrino, particella di massa prossima a zero e priva di carica sembrò una soluzione brillante e definitiva. Per allora nessuno si pose la domanda dell’utilità del neutrino a livello nucleare, incalzato da un’altra e più pregnante domanda. Dov’era il neutrino prima di essere emesso? Era nel nucleo A e in che forma? Fermi escluse con ragioni inoppugnabili che il neutrino potesse essere presente già nel nucleo A e dovette ammettere che fosse creato all’atto della emissione. Ma come? Spiegare la “creazione” di una particella per quanto infinitamente piccola ma essenziale nel bilancio energetico appariva ai limiti delle facoltà mentali, una frontiera oltre cui la scienza negava alla mente dell’uomo di andare oltre. Ma Fermi come l’Ulisse di Dante volta la poppa nel mattino/ de’ remi fece ali al folle volo.

Per spiegare il meccanismo di creazione del neutrino in modo estremamente semplificato, è bene ricordare il fenomeno della induzione magnetica. In tale fenomeno avviene che una corrente elettrica di intensità non costante ma variabile, se attraversa un circuito elettrico genera un campo magnetico. Questo a sua volta genera una corrente elettrica anche in un circuito fisicamente separato. V’è dunque una interazione tra campo elettrico e campo magnetico, che crea un’onda elettromagnetica. Quest’onda viaggia con la velocità della luce nel vuoto e se incontra un corpo si comporta come una particella -il fotone-, avente massa nulla ed energia proporzionale alla frequenza dell’onda elettromagnetica.

Qualcosa di analogo avviene nella creazione del neutrino. Fermi affermò che nel caso della radiazione beta la equazione (2) doveva scriversi correttamente nella forma

        N →P + e- + ν°

Ovvero un neutrone N decadeva in un protone P con l’emissione di un elettrone e-. Dopo il decadimento venivano dunque a crearsi due deboli correnti: quella generata dal protone di carica positiva e quella generata dall’elettrone negativo. L’interazione tra queste due correnti deboli –chiamata interazione debole- genera il neutrino.

Venivano così individuate interazioni alla base dell’energia solare e veniva spiegata la creazione di una particella fondamentale: il neutrino, enigmatico ma solerte spazzino cosmico.

L’energia solare. – La reazione nucleare alla base della produzione della energia solare consiste nella trasformazione di idrogeno in elio. Tale trasformazione avviene in due momenti distinti, in quanto il nucleo dell’idrogeno è composto da un singolo protone, mentre quello di elio contiene due protoni e due neutroni. Dunque alcuni protoni devono essere trasformati in neutroni e questo è possibile grazie a una interazione debole. Nel primo momento avviene che due protoni reagiscono dando luogo grazie alla interazione debole a un deutone D, un elettrone e un neutrino secondo la reazione

          P+P → D + e++ ν°

Il deutone D contiene non un solo protone ma un protone e un neutrone. Con la successiva reazione

           D+D → 2He4  + energia

si generano nuclei di elio ed energia. La maggior parte dell’energia è prodotta nella seconda reazione la quale però non coinvolge interazioni deboli. Al contrario la prima reazione produce relativamente poca energia, ma il suo ruolo è fondamentale, perchè è in essa che si formano i neutroni necessari alla seconda reazione e vengono emessi neutrini secondo il meccanismo spiegato delle interazioni deboli. Se ne conclude che senza interazioni deboli il sole non potrebbe produrre alcuna energia. La prima reazione è anche essenziale come regolatore della attività solare: il fatto che essa avvenga tramite una interazione debole garantisce che l’idrogeno venga “bruciato” lentamente di modo che la vita del sole si estenda per miliardi di anni. Con le reazioni dette si comprende come il sole, oltre che una sorgente di luce e di calore, sia anche una potentissima sorgente di neutrini. Negli ultimi decenni molti esperimenti condotti in laboratori sotterranei hanno permesso di rivelare i neutrini emessi dalle parti centrali del sole, che giungono sulla terra dopo averne attraversato l’intera massa praticamente indisturbati. I neutrini prodotti dalla reazione P+P sono quelli di energia più bassa, e sono stati osservati per la prima volta nel 1991 nel laboratorio del Gran Sasso.

Lo spazzino cosmico. Oltre ad essere essenziali nella produzione dell’energia solare, i neutrini svolgono la meravigliosa opera di operatori ecologici del cosmo. Questo è dovuto al fatto che essi sono, come già ricordato, particelle stabili. Pertanto tutte le particelle che compongono la infinita varietà della radiazione cosmica, avendo vita effimera, decadono in un tempo più o meno breve, trasmutandosi in particelle stabili, per la maggior parte neutrini, le uniche tra le particelle stabili ad avere una massa non nulla e nessuna carica.

Se così non fosse, altri nuclei stabili potrebbero esistere con differenti forme di specie atomiche, diverse proprietà chimiche, diverse strutture della materia. Il mondo, l’uomo, quella meravigliosa transustanziazione che è la trasformazione dell’energia solare in atti, pensieri, sentimenti, resi possibili dal matrimonio della luce solare con la terra che germoglia i frutti di cui si nutrono gli animali e gli uomini, in assenza delle interazioni deboli non sarebbero possibili. L’universo sarebbe misteriosamente diverso come diversi sarebbero la vita e lo spirito che lo animano.

Condividi con...Share on LinkedInTweet about this on TwitterShare on Google+Share on Facebook