Neutrini dal CERN ai Laboratori INFN del Gran Sasso

OPERA scoperta dei neutrini tau al Gran Sasso
 
L'esperimento internazionale OPERA ha completato l'analisi dei dati e rivelato dieci neutrini tau, dimostrando così l'avvenuta oscillazione e misurando le proprietà di questi neutrini.
 
 
 
 

In natura esistono tre tipi di neutrini: elettronico, muonico e tauonico. Essi sono elettricamente neutri e di massa estremamente piccola, a lungo ritenuta nulla. Nel 1957 il fisico italiano Bruno Pontecorvo elaborò una prima teoria secondo la quale queste particelle potevano oscillare, ovvero trasformarsi una nell'altra durante la loro propagazione.

Nel 1998 lo studio dei neutrini prodotti dai raggi cosmici nell'atmosfera dimostrò che i neutrini muonici arrivavano sulla Terra in numero ridotto rispetto a quelli attesi. Al contempo il numero di neutrini elettronici era invece consistente con le attese. Questa osservazione era un'evidenza del fenomeno di oscillazione e si ipotizzò che la sparizione dei neutrini muonici fosse dovuta alla loro trasformazione in neutrini tau. I rivelatori in funzione in quegli anni non erano in grado di rivelare i neutrini tau e, inoltre, i neutrini tau non erano ancora stati mai osservati: questo fenomeno era dunque un'ipotesi che doveva essere verificata sperimentalmente. Per osservare in modo diretto la trasformazione di neutrini muonici in neutrini tau, era necessario produrre un fascio di neutrini muonici e costruire, a opportuna distanza, un apparato in grado di poter catturare neutrini tau. Fu così ideato il progetto OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), la cui prima concezione alla fine degli anni novanta si deve a un gruppo di fisici delle Università di Napoli e Nagoya.    

 

Tau

La ricostruzione tridimensionale della rivelazione dei neutrini tau.

 

L'esperimento OPERA

Fu così realizzato al CERN di Ginevra un fascio di neutrini muonici per inviarlo verso i laboratori sotterranei dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare del Gran Sasso in Italia dove fu costruito tra il 2003 e il 2007 l'apparato OPERA. "La difficoltà di osservare i neutrini tau è duplice:" - sottolinea il Professor Giovanni De Lellis, dell'Università Federico II e dell'INFN di Napoli, dal 2012 a capo del team internazionale OPERA costituito da 180 fisici provenienti da 11 Paesi di Europa e Asia -  "tutti i neutrini, e dunque anche quello tau, hanno una bassissima probabilità di interagire con la materia e sono pertanto difficilissimi da catturare, condizione necessaria per poterli studiare; a ciò si aggiunge la peculiarità del neutrino tau di poter essere identificato attraverso l'osservazione del leptone tau prodotto, una particella che vive meno di un millesimo di miliardesimo di secondo e dunque, anche se viaggia quasi alla velocità della luce, percorre meno di un millimetro." Il rivelatore OPERA è un gigante di 4000 tonnellate, 2000 m3 di volume, costruito con nove milioni di film di emulsioni nucleari (pellicole fotografiche ultrasensibili) in grado di fornire la risoluzione micrometrica richiesta per osservare il tau.

Il fascio del CERN ha inviato neutrini muonici al Gran Sasso dal 2008 al 2012. L'analisi dei dati  iniziata nel 2008 portò nel 2010 alla pubblicazione del primo neutrino tau, trovato proprio nel laboratorio di microscopia automatica di Napoli. Negli anni successivi sono stati osservati altri neutrini tau dall'esperimento e nel 2015 la Collaborazione annunciò la scoperta del fenomeno dell'apparizione di neutrini tau nel fascio di neutrini muonici. Pochi mesi dopo fu conferito al prof. Kajita il premio Nobel in Fisica per il fenomeno delle oscillazioni di neutrino. In un seminario tenuto presso i Laboratori del Gran Sasso martedì 22 maggio, il Prof. De Lellis ha annunciato i risultati conclusivi dell'esperimento, con il ritrovamento di 10 neutrini tau. I risultati sono stati contestualmente pubblicati in un articolo della rivista scientifica Physical Review Letters. "Abbiamo analizzato tutti i dati con una strategia completamente nuova, tenendo conto delle caratteristiche peculiari degli eventi. E riportiamo anche – spiega il prof. De Lellis – la prima osservazione diretta del numero leptonico del neutrino tau, ossia il parametro che discrimina i neutrini dalla loro controparte di antimateria, gli antineutrini". "È molto gratificante vedere oggi che i risultati ottenuti superano ampiamente il livello di significatività statistica che avevamo previsto quando abbiamo proposto l'esperimento".

Open data

La collaborazione OPERA ha reso pubblici i propri dati attraverso il CERN Open Data Portal. In questo modo, anche i ricercatori che non fanno parte della Collaborazione potranno utilizzarli per condurre nuove ricerche. Inoltre, i dati messi a disposizione sono arricchiti da informazioni e strumenti di visualizzazione che ne aiutano l'interpretazione e l'utilizzo per scopi didattici. Questi di OPERA sono le prime e uniche interazioni di neutrini messe a disposizione sul portale Open Data del CERN, un programma lanciato nel 2014.

Dai neutrini alla società

Gli studi sui neutrini tau continueranno perché De Lellis e colleghi hanno proposto al CERN l'esperimento SHiP, in grado di osservare migliaia di neutrini tau e studiare così le proprietà del neutrino tau e della sua anti-particella, l'anti-neutrino tau, mai finora osservata.  Oltre agli studi sui neutrini, l'eredità di OPERA consiste anche nello sviluppo di nuove tecnologie. I ricercatori di Napoli hanno sviluppato tecnologie completamente automatizzate ad alta velocità e di accuratezza sub-micrometrica che hanno aperto la strada all'impiego su larga scala delle cosiddette pellicole di emulsioni nucleari per registrare tracce di particelle. Questa tecnologia trova applicazioni in una vasta gamma di altre aree scientifiche, come la ricerca di materia oscura. Infatti è in programma l'esperimento NEWSdm guidato da De Lellis per la ricerca della materia oscura con un approccio completamente innovativo in grado di misurare per la prima volta la direzione di provenienza galattica di queste particelle, sfruttando la risoluzione nanometrica raggiunta da queste nuove tecnologie.

Gli studi che si conducono a Napoli con la tecnologia delle emulsioni nucleari hanno anche un impatto sociale perché riguardano l'ottimizzazione dei piani di trattamento di adroterapia oncologica, oggetto di studio nell'esperimento FOOT. L'adroterapia è un'innovativa tecnica di trattamento usata in oncologia che utilizza fasci di particelle denominati adroni, come i protoni. Il progetto FOOT, infatti, punta alla caratterizzazione del comportamento dei protoni quando attraversano i tessuti umani in modo da ottimizzare i suoi effetti benefici nella terapia.

Data: 23/05/2018