Filippo Ceradini

Alla fine di luglio l'esperimento DONUT al Fermi National Accelerator Laboratory ha presentato l'osservazione diretta di interazioni prodotte da neutrini tau. Questo risultato, insieme a molti altri che hanno seguito la scoperta del leptone tau carico nel 1975, chiude, per ora, il quadro della simmetria tra il numero di leptoni e il numero di quark.

Il Modello Standard delle interazioni fondamentali tra particelle è basato su "famiglie" di fermioni di spin 1/2. Ciascuna famiglia è organizzata in un doppietto di isospin debole. Ci sono tre famiglie di quark, (u, d), (c, s) e (t, b) e tutte le particelle soggette alle interazioni forti sono rappresentate come stati legati di quark. Ci sono anche tre famiglie di particelle non soggette a interazioni forti, i leptoni, che obbediscono alla stessa simmetria dell'isospin debole (neutrino-elettrone, elettrone), (neutrino-mu, mu) e (neutrino-tau, tau). L'esistenza del neutrino-elettrone era stata ipotizzata da Wolfgang Pauli [nota 1] nel 1930 per interpretare il decadimento beta dei nuclei atomici. 25 anni più tardi Clyde Cowan e Fred Reines [nota 2] dimostrarono l'esistenza del neutrino-elettrone osservando le interazioni prodotte dai neutrini. Nel 1946 Marcello Conversi, Ettore Pancini e Oreste Piccioni dimostrarono che la particella mu osservata nei raggi cosmici era un leptone, si comportava cioè come un elettrone "pesante", e negli anni '50 Bruno Pontecorvo e Melvin Schwartz suggerirono il metodo sperimentale per studiare le interazioni di un eventuale secondo neutrino associato al leptone mu. L'esistenza del secondo neutrino-mu diverso dal neutrino-elettrone fu provata sperimentalmente nel 1962 da Leon Lederman, Melvin Schwartz, Jack Steinberger e collaboratori [nota 3]. La storia si ripeterà con la terza famiglia.

Nel 1975 Martin Perl [nota 2] con una analisi dei dati prodotti nell'anello di collisione di elettrone-positrone di Stanford riuscì a dimostare l'esistenza di un altro leptone carico, il tau, che decadeva in una o tre particelle cariche e una particella di massa trascurabile non rivelata nell'esperimento, cioè di nuovo un neutrino. Il leptone tau ha massa elevata, 1.8 GeV pari a circa due volte la massa del protone, e vita media molto breve, 0.3 picosecondi.

Negli anni '80 furono raccolti molti risultati sui decadimenti del leptone tau e anche evidenze indirette che questo terzo leptone carico dovesse essere associato ad un nuovo neutrino, cioè diverso da neutrino-elettrone e neutrino-mu.

In particolare gli esperimenti con fasci di neutrini al Fermilab e al CERN dimostrarono che i neutrini- elettrone e neutrini-mu non producono letponi tau e agli inizi degli anni '90 gli esperimenti al LEP dimostrarono che il numero di neutrini "leggeri" è pari a tre. Inoltre i recenti risultati sulle ricerche di "oscillazioni" dei neutrini non sembrano compatibili con l'esistenza dei soli neutrini-elettrone e neutrini-mu. Ma è solo oggi, 25 anni dopo la scoperta del leptone tau, che abbiamo una prova diretta dell'esistenza del terzo neutrino, il neutrino-tau.

Nell'esperimento DONUT al Fermilab un fascio di protoni di 800 GeV di energia viene inviato su un bersaglio-assorbitore in cui viene prodotto un gran numero di particelle. Le particelle più pesanti decadono più rapidamente mentre le più leggere vengono assorbite prima di decadere in modo da non dare preferenza alla produzione di neutrini-elettrone e neutrini-mu. Il decadimento che interessa per la produzione di neutrini-tau è quello dei mesoni con charm, Ds in tau ed i corrispondenti neutrini.

A valle del bersaglio-assorbitore viene trasmesso un fascio con ugual numero di neutrini-elettrone e neutrini-mu e composto per circa il 10% di neutrini-tau. A 40 metri dal bersaglio-assorbitore è posto l'esperimento per osservare le interazioni dei neutrini-tau su nuclei segnalate dalla produzione di leptoni tau e di altre particelle.

Alle energie in gioco il cammino medio dei leptoni tau prodotti è circa 1 millimetro e quindi occorre un rivelatore con risoluzione spaziale molto migliore del millimetro per mettere in evidenza senza ambiguità la produzione e il successivo decadimento del leptone tau. Il decadimento più probabile è in una sola particella carica ed è segnalato da una piccolissima deviazione della traccia lasciata nel rivelatore. Il cuore dell'esperimento è un bersaglio attivo costituito da lastre di ferro intervallate con lastre di emulsione fotografica particolarmente sensibile per rivelare le particelle ionizzanti. La tecnica delle emulsioni nucleari, sviluppata negli anni '40 da Giuseppe Occhialini e Charles Powell in collaborazione con i laboratori Ilford, è stata raffinata negli ultimi anni per lo studio delle particelle a breve vita media fino a raggiungere una risoluzione spaziale migliore di 1 micron.

Ma questo non basta perché la "fotografia" dell'evento è presa con un tempo di esposizione pari alla durata dell'esperimento, cioè di alcuni mesi, e tutte le tracce lasciate dalle particelle si sovrappongono. Occorre quindi anche un rivelatore con tempo di sensibilità molto breve per segnalare dove andare a cercare nell'emulsione le tracce delle particelle interessanti .

L'esperimento DONUT utilizza a valle di ciascun modulo di lastre di ferro e emulsioni un rivelatore a fibre scintillanti capace di segnalare quelle interazioni in cui vengono emessi secondari che deviano di traiettoria, cioè che decadono in volo. Ma anche questo ancora non basta perché la scansione delle lastre di emulsione e la ricostruzione dell'immagine richiede molto tempo, è quindi necessario un meccanismo automatizzato, cioè un robot addestrato a selezionare il volume di emulsione in cui avviene il decadimento e a ricostruire le tracce delle particelle ionizzanti. La tecnica della scansione automatica delle lastre di emulsione, in cui sono maestri i gruppi giapponesi, ha permesso di ridurre drasticamente il tempo di esame del grande volume di emulsione esposte nell'esperimento.

A conclusione di questo lavoro sono stati identificati quattro eventi che segnalano senza ambiguità la presenza nel fascio di neutrini-tau. La coerenza del Modello Standard richiede l'esistenza dello stesso numero di famiglie di quark e leptoni, e questo sembra finora rispettato, e richiede l'esistenza di almeno tre famiglie di quark, che è quello che osserviamo. Ma perché tre famiglie? e perché le famiglie di quark e leptoni sono completamente distinte? A queste domande oggi non sappiamo rispondere, ma i ricercatori si stanno attrezzando per una nuova serie di esperimenti per cercare una risposta.