70 anni di neutrini

27 Febbraio 2026

Settanta anni fa, nel 1956 in piena guerra fredda, due scienziati americani, Frederick Reines e Clyde Cowan, che lavoravano negli Stati Uniti presso il Los Alamos National Laboratory misero a punto un esperimento fondamentale nella storia della scienza. Utilizzando il reattore nucleare dell’impianto Savannah River, In South Carolina, come sorgente riuscirono a rivelare, per primi al mondo, gli antineutrini emessi dal reattore confermando l’esistenza di queste elusive e piccole particelle, tanto abbondanti nell’universo quanto inafferrabili. Per riuscirci costruirono un apparato sperimentale installato a 12 metri sottoterra, per schermarlo dai raggi cosmici, costituito da serbatoi contenenti acqua e liquidi scintillatori su cui avevano installato tubi fotomoltiplicatori. Una tecnica che perfezionata tecnologicamente e sperimentalmente troviamo ancora nei più moderni esperimenti per la rivelazione dei neutrini. I loro risultati furono pubblicati il 20 luglio dello stesso anno su Science e nel 1995 valsero il Nobel a Reines (Cowan era morto nel ’74). Una scoperta che ha segnato profondamente la fisica del Novecento, ma la cui storia inizia molto prima e si intreccia con gli eventi sociopolitici dell’epoca.

Alle origini del neutrino

I neutrini sono particelle elementari che hanno un ruolo fondamentale nella fisica delle particelle, delle astroparticelle e nella cosmologia. La storia del neutrino ha le sue radici nella scoperta del nucleo atomico. All’inizio del Novecento si comprese che quasi tutta la massa di un atomo è concentrata in un nucleo piccolissimo e densissimo, con un raggio circa centomila volte più piccolo di quello dell’atomo stesso. Il resto è costituito da vuoto, popolato da elettroni che stazionano in prossimità del nucleo distribuendosi secondo onde di probabilità descritte dalla meccanica quantistica. Proprio studiando ciò che accade all’interno del nucleo emersero i primi indizi che avrebbero portato alla scoperta del neutrino. Nel 1896 Henri Becquerel scoprì la radioattività, comprendendo che alcuni nuclei atomici sono instabili e si trasformano spontaneamente emettendo radiazione. Si comprende che ci sono tre tipi di trasformazione dei nuclei: la radioattività alfa con l’emissione di un nucleo di elio, la radioattività beta con l’emissione di un elettrone (o di un positrone), e la radioattività gamma con l’emissione di fotoni di alta energia. Questi processi sono naturali e spontanei, e la loro comprensione ha rivoluzionato la fisica del nucleo. È però il decadimento beta a rivelarsi il più enigmatico, ed è qui che comincia la storia dei neutrini.

Immagine dell'interazione dei neutrini nella camera a bolle del Fermilab scattata nell'aprile 1976 (© FERMILAB)

Quando i fisici iniziarono a misurare con precisione l’energia degli elettroni emessi nei decadimenti beta, si trovarono di fronte a un risultato sorprendente: l’energia dell’elettrone veniva emessa con un’energia apparentemente casuale contrariamente a quanto previsto dalle leggi della fisica classica. Ciò implicava apparentemente una violazione del principio di conservazione dell’energia: un’ipotesi inaccettabile per la scienza. Ma questo non era l’unico problema. Studi successivi mostrarono che anche un’altra grandezza fondamentale, il momento angolare, sembrava non conservarsi nel processo. Tra coloro che contribuirono a queste analisi c’era Franco Rasetti, collaboratore di Enrico Fermi. Infine, con la nascita della meccanica quantistica emerse una difficoltà ancora più profonda: l’elettrone non poteva trovarsi confinato all’interno del nucleo prima del decadimento. Il principio di indeterminazione formulato da Werner Heisenberg lo vietava. Un elettrone intrappolato in uno spazio così piccolo avrebbe dovuto possedere un’energia enormemente maggiore di quella osservata. Il decadimento beta sembrava dunque incomprensibile. Violava l’energia, sembrava violare lo spin e contraddiceva i principi fondamentali della nuova meccanica quantistica.

immagine che rappresenta Nobel laureate Wolfgang Pauli.

Nobel laureate Wolfgang Pauli (©www.researchgate.net)

Da questa crisi concettuale sarebbe nata una delle idee più audaci della fisica del Novecento. l’ipotesi dell’esistenza del neutrino. Nel 1930 Wolfgang Pauli propose una soluzione che lui stesso definì disperata tanto era rivoluzionaria per l’epoca. Pauli ipotizzò che insieme all’elettrone veniva emessa un’altra particella, invisibile e neutra. Questa nuova particella avrebbe spiegato perché l’elettrone non presentasse un’energia fissa: l’energia disponibile nel decadimento, infatti, si ripartiva tra l’elettrone e questa entità sconosciuta, che in seguito avrebbe preso il nome di neutrino. L’idea era così anticonformista che Pauli non la pubblicò immediatamente su una rivista scientifica, ma la scrisse in una lettera che è oggi conservata al CERN di Ginevra.

Il termine neutrino, che rimanda al concetto di qualcosa di neutro e di piccolo, fu introdotto da Enrico Fermi, allora impegnato a Roma con il gruppo di scienziati passato alla storia come i Ragazzi di via Panisperna di cui facevano parte, tra gli altri, Ettore Majorana e Bruno Pontecorvo, protagonisti di sviluppi fondamentali nella fisica del neutrino. In pochi anni l’ipotesi di Pauli si diffuse rapidamente nella comunità scientifica, ma restavano interrogativi cruciali: quale fosse il meccanismo di emissione dell’elettrone e del neutrino, e dove si trovassero queste particelle prima del decadimento.
La svolta arrivò nel 1934, quando Fermi formulò la teoria del decadimento beta, introducendo il concetto di forza debole: una nuova interazione fondamentale della natura, responsabile dei processi che avvengono nel nucleo atomico. Nella sua teoria, elettrone e neutrino non sono particelle già presenti nel nucleo prima del decadimento, ma vengono creati nell’istante stesso del processo. Si affermava così un principio destinato a diventare centrale nella fisica moderna: le particelle possono essere create e annichilirsi. Nel decadimento beta, elettrone e neutrino nascono insieme e vengono emessi simultaneamente; proprio per questo l’energia non è concentrata in una sola particella, ma si distribuisce tra le due.

“I ragazzi di via Panisperna”, da sinistra: Oscar D'Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti ed Enrico Fermi. (© Archivio Amaldi, Dipartimento di Fisica, Università la Sapienza, Roma)

Esisteva dunque una teoria, ma perché entrasse a pieno titolo nella fisica occorreva una conferma sperimentale. I fisici Rudolf Peierls e Hans Bethe calcolarono la probabilità che un neutrino potesse colpire un nucleo atomico, per capire come fosse possibile rivelarlo. Il risultato fu sorprendente: la probabilità di interazione tra un neutrino e la materia risultò straordinariamente piccola. Il neutrino si dimostrava così una particella estremamente elusiva, difficilissima da osservare. Si trattava di un problema enorme per la fisica, che aveva bisogno di una verifica sperimentale. Questa conferma sarebbe arrivata solo molti anni dopo, nel 1956. Settanta anni fa.
Ciò che rende i neutrini così difficili da rivelare è il fatto che interagiscono esclusivamente tramite l’interazione debole, peraltro sono le uniche particelle con questa caratteristica. La probabilità che un neutrino interagisca con la materia è dell’ordine di 20 ordini di grandezza (1 centesimo di miliardesimo di miliardesimo) più piccola di quella di un fotone di simile energia: un valore così basso da permettere loro di uscire dal centro del Sole, di attraversare l’universo o di essere prodotti in un reattore nucleare e passare attraverso la Terra senza urtare quasi nulla. Proprio grazie a questa capacità di attraversare indisturbati regioni densissime e inaccessibili, i neutrini trasportano informazioni preziose su ambienti altrimenti impossibili da esplorare. Tuttavia, intercettarli è estremamente difficile: per rivelarli sono necessari flussi giganteschi di particelle e rivelatori di grandi dimensioni. La prima sorgente artificiale di neutrini usata dai fisici per la ricerca fondamentale è stato un reattore nucleare. Il primo reattore nucleare a fissione dell’uranio venne acceso nel dicembre del 1942 sotto la guida di Enrico Fermi, che aveva ricevuto a soli 37 anni il Premio Nobel per la Fisica nel 1938 “per l’identificazione di nuovi elementi radioattivi prodotti mediante irradiazione con neutroni e per la scoperta delle reazioni nucleari provocate da neutroni lenti”. Dopo la cerimonia del Nobel, Fermi non fece ritorno in Italia: da Copenaghen, dove risiedeva l’amico Niels Bohr, si imbarcò per gli Stati Uniti, dove avrebbe dato un contributo decisivo allo sviluppo della fisica nucleare, mentre in Europa era ormai scoppiata la Seconda guerra mondiale.
Un altro fisico italiano, Bruno Pontecorvo, allievo di Fermi, si dedica allo studio delle particelle elementari e darà un contributo molto importante alla fisica nucleare. Pontecorvo studia i neutrini, i muoni e gli elettroni, e intuisce che potrebbero esistere due tipi distinti di neutrino, un’idea straordinariamente innovativa per l’epoca, che tuttavia non sviluppa pienamente in quegli anni. Nel 1946 comincia a elaborare e proporre metodi sperimentali per rivelare i neutrini. In un documento di quell’anno, il primo in cui viene delineata in modo esplicito la struttura concettuale dei rivelatori basati sul cloro che saranno realizzati solo molti anni più tardi per lo studio dei neutrini solari, Pontecorvo descrive un approccio pionieristico destinato a segnare la storia della fisica delle particelle. Quel lavoro, però, rimane sconosciuto per circa vent’anni: viene secretato per motivi militari, in un periodo storico in cui scienza, politica e guerra sono profondamente intrecciate. È il contesto del secondo dopoguerra e dell’inizio della Guerra Fredda, quando la ricerca fondamentale sulle particelle elementari si muove sul confine sottile tra conoscenza pura e applicazioni strategiche.

Gli scienziati del Progetto Poltergeist.Credit to: Los Alamos National Laboratory

Negli Stati Uniti, nel 1953, gli scienziati Frederick Reines e Clyde Cowan allestirono, nei pressi del reattore nucleare a fissione di Savannah River Site, un rivelatore di grandi dimensioni per l’epoca. L’esperimento faceva parte del Progetto Poltergeist, un nome scelto proprio per evocare l’elusività del neutrino, particella evanescente come un fantasma. L’apparato sperimentale era costituito da una serie di rivelatori contenenti taniche d’acqua e liquidi scintillatori, sostanze che emettono luce quando vengono attraversate da particelle cariche. Questa luce, chiamata luce Cherenkov, rappresentava il segnale rivelatore dell’interazione dell’antineutrino prodotto nel reattore. Dopo anni di tentativi e perfezionamenti, la determinazione dei due fisici fu premiata: nel 1956 annunciarono l’osservazione del primo antineutrino, una tappa fondamentale nella storia della fisica delle particelle.

Negli stessi anni, mentre negli Stati Uniti si ottenevano le prime evidenze sperimentali dirette dell’esistenza del neutrino, anche in Ungheria si conducevano ricerche indipendenti e significative sui neutrini. Presso l’Istituto Atomki (Istituto per la Ricerca Nucleare), i fisici Gyula Csikai e Sándor Szalay studiavano il decadimento dell’elio-6, un sistema ideale per osservare l’effetto di rinculo associato all’emissione del neutrino, cioè la quantità di moto “mancante” trasportata via dalla particella invisibile. I due ricercatori riuscirono a registrare in una camera a bolle l’immagine di un evento compatibile con il decadimento dell’elio-6, in cui il nucleo emette un elettrone e un neutrino. Si trattava di un risultato di grande rilevanza, che forniva un’ulteriore evidenza sperimentale dell’esistenza del neutrino. Tuttavia, quella fotografia non venne mai pubblicata. Nel 1956 l’Ungheria fu invasa dall’Unione Sovietica e la loro attività scientifica venne travolta dagli eventi geopolitici. Questo capitolo della storia della fisica è stato recentemente valorizzato con il riconoscimento di Atomki come Sito Storico della Fisica delle Particelle da parte della European Physical Society.

Le tre famiglie di neutrini

Negli anni Sessanta, a partire da un’idea di Bruno Pontecorvo, i fisici Leon Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinberger realizzarono un esperimento destinato a segnare una svolta nella fisica delle particelle. Utilizzando un fascio di neutrini prodotto da un acceleratore, riuscirono a dimostrare che l’ipotesi dell’esistenza di più tipi di neutrino era corretta. I loro risultati mostrarono che i neutrini non erano soltanto quelli associati al decadimento beta, introdotti negli anni Trenta da Enrico Fermi, che erano di tipo elettronico, ma che esisteva almeno un secondo e distinto tipo di neutrini. Fu la prima evidenza sperimentale dell’esistenza del neutrino muonico, una scoperta che valse ai tre fisici il Premio Nobel per la Fisica nel 1988. Negli anni successivi si sarebbe completato il quadro: oggi sappiamo che i tipi di neutrini sono tre, ciascuno associato a una particella carica della stessa “famiglia”. Esiste il neutrino elettronico, legato all’elettrone, il neutrino muonico, associato al muone, e il neutrino tau, partner della particella tau, scoperta negli anni Settanta da Martin Lewis Perl. La scoperta delle tre famiglie di neutrini ha rappresentato un passaggio fondamentale nella costruzione del Modello Standard delle particelle elementari e ha aperto nuove prospettive nello studio delle proprietà più profonde della materia.

Infografica Oscillazione del neutrino (© INFN)

A partire dagli anni Settanta del Novecento, la fisica del neutrino ha assunto un ruolo sempre più centrale nella ricerca fondamentale. I neutrini sono diventati oggetto di studio in quanto tali, perché rappresentano uno strumento unico per investigare l’interazione debole: a differenza di molte altre particelle, non risentono dell’interazione forte né di quella elettromagnetica, ma solo della forza debole (oltre alla gravità). Allo stesso tempo, il neutrino si è affermato come una sonda privilegiata dell’universo. Provenendo dal Sole, dal cuore delle stelle, dalle esplosioni di supernova e da altre sorgenti cosmiche, i neutrini trasportano informazioni dirette su regioni altrimenti inaccessibili. Per questo motivo comprenderne a fondo la natura e le caratteristiche è determinante e a questo fine sono state realizzate sorgenti artificiali capaci di produrre flussi intensi e stabili, insieme a rivelatori sempre più grandi e sofisticati nei principali laboratori del mondo. Tra questi, un ruolo di primo piano è svolto dai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, costruiti in un luogo unico, a 1400 metri di profondità sotto il massiccio del Gran Sasso grazie alla geniale intuizione del fisico Antonino Zichichi, recentemente scomparso, che con straordinaria visione propose di orientarli verso il CERN da cui, molti anni dopo, sarebbe stato inviato un fascio di neutrini generati da un acceleratore e rivelati dagli esperimenti OPERA e ICARUS, quest’ultimo poi trasportato al Fermilab, negli USA, dove è attualmente in presa dati nell’ambito del programma Short-Baseline Neutrino (SBN). Proprio ai Laboratori del Gran Sasso, esperimenti dedicati ai neutrini hanno ottenuto risultati di grande rilevanza internazionale, tra cui l’esperimento Borexino.

L’ingresso della galleria sotterranea dei Laboratori del Gran Sasso (© INFN)

Studiare il Sole con i neutrini e studiare i neutrini con il Sole

Nel 1920 Sir Arthur Eddington propose che la fonte di energia delle stelle fosse la fusione nucleare. Poco prima, Francis William Aston aveva sviluppato lo spettrometro di massa, strumento capace di misurare con precisione la massa degli atomi, mostrando che il nucleo di elio è leggermente più leggero di quattro atomi di idrogeno. Eddington intuì che questa differenza di massa potesse trasformarsi in energia, secondo la relazione di Einstein. Sarebbero stati necessari circa vent’anni di ricerche teoriche e sperimentali per comprendere in dettaglio i meccanismi della fusione stellare. Nel Sole l’energia è prodotta principalmente attraverso due cicli di reazioni nucleari: la catena protone-protone e il ciclo CNO (carbonio-azoto-ossigeno). Queste reazioni producono neutrini che fuoriescono immediatamente dal nucleo solare e raggiungono la Terra in circa otto minuti, fornendoci un’informazione “in tempo reale” su ciò che accade nel cuore del Sole. I fotoni, invece, impiegano centinaia di migliaia di anni per emergere dalla superficie.
Negli anni Settanta Raymond Davis Jr. avviò negli Stati Uniti, nella miniera di Homestake in South Dakota, il primo grande esperimento sui neutrini solari. Il rivelatore, noto come Homestake Experiment, utilizzava una grande quantità di cloro, secondo un’idea originariamente proposta da Pontecorvo. Davis osservò però un numero di neutrini inferiore alle previsioni teoriche: nacque così il “problema dei neutrini solari mancanti” che sarebbe stato risolto grazie alle scoperte di due esperimenti costituiti da giganteschi e spettacolari rivelatori in Giappone e in Canada.

Negli anni Ottanta, infatti, entrò in funzione in Giappone l’esperimento Kamiokande, un enorme rivelatore ad acqua dotato di migliaia di fotomoltiplicatori, capace di osservare la luce Cherenkov prodotta dalle particelle generate dalle interazioni dei neutrini con l’acqua. Kamiokande fornì la prima “immagine” del Sole in neutrini, dimostrando in modo diretto che provengono effettivamente dal nucleo solare. Nei primi anni Novanta, nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, l’esperimento GALLEX (Gallium Experiment) utilizzò un rivelatore al gallio per misurare i neutrini solari a bassa energia, in particolare quelli prodotti nella fusione protone-protone, dominante nel Sole. GALLEX confermò il deficit di neutrini elettronici rispetto alle previsioni teoriche, fornendo un contributo decisivo alla comprensione del cosiddetto “problema dei neutrini solari” e preparando il terreno alla sua soluzione.
Pochi anni dopo, in Canada, entrò in funzione il Sudbury Neutrino Observatory (SNO), un rivelatore progettato per misurare in modo distinto i neutrini elettronici e il flusso totale di tutte le famiglie di neutrini (in fisica chiamate sapore). SNO dimostrò in modo decisivo che i neutrini solari si trasformano durante il loro viaggio dal Sole alla Terra (fenomeno chiamato oscillazione), risolvendo così il “problema dei neutrini solari” e fornendo una prova fondamentale del fatto che i neutrini hanno massa. Le scoperte ottenute in Giappone studiando i neutrini prodotti dai raggi cosmici nell’atmosfera dal fisico Takaaki Kajita con l’esperimento Super-Kamiokande, e in Canada dal fisico Arthur B. McDonald, osservando neutrini solari con il Sudbury Neutrino Observatory, sono state premiate nel 2015 con il Premio Nobel per la Fisica.

L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, con la sua newsletter Particle Chronicle, propone nel suo ultimo numero un’intervista doppia ai due eminenti scienziati.

Negli anni Duemila l’esperimento Borexino, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, ha studiato i neutrini solari con una precisione senza precedenti grazie a un rivelatore riempito con uno liquido scintillatore ultra-puro, lo pseudocumene. Borexino ha misurato direttamente entrambe le principali catene di fusione, pubblicando tra il 2007 e il 2016 le migliori misure disponibili sui neutrini della catena protone-protone e confermando, in modo diretto, il fatto che nel Sole i neutrini hanno oscillazioni amplificate dal passaggio nella materia; inoltre, nel 2022 la prima misura sperimentale del ciclo CNO nel Sole. Inoltre, ha realizzato la migliore misura dei geoneutrini, i neutrini prodotti dalla radioattività naturale della Terra, fornendo informazioni fondamentali sul contributo del calore radiogenico all’interno del pianeta.

L'esperimento Borexino ai Laboratori nazionali del Gran Sasso dell'INFN (© INFN)

Neutrini da supernovae e galassie

Nel 1987 l’esplosione della supernova SN 1987A, nella Grande Nube di Magellano, ha fornito la prima osservazione diretta di neutrini provenienti da una stella in esplosione, aprendo la strada all’astrofisica dei neutrini. Oggi i fisici e gli astrofisici studiano anche i neutrini super-energetici provenienti da sorgenti extragalattiche, come i nuclei galattici attivi alimentati da buchi neri supermassicci. Il più grande rivelatore al mondo è IceCube, installato nel ghiaccio del Polo Sud: è il primo telescopio astrofisico a neutrini e ha identificato neutrini di altissima energia di origine cosmica. Tra questi vi è un evento nel 2017, in cui IceCube, ha rivelato un neutrino cosmico in associazione a fotoni gamma di altissima energia, osservati da diversi telescopi spaziali in raggi gamma, tra cui il Large Area Telescope del satellite Fermi, realizzato dalla NASA e gestito con un’importante partecipazione dell’INFN. È stata la prima volta che un rivelatore di neutrini è stato utilizzato per localizzare un oggetto astrofisico poi osservato anche con altri “messaggeri cosmici”, una scoperta che rientra nel quadro della recente astronomia multimessaggera, un nuovo approccio di esplorazione dell’universo che permette di indagare lo stesso evento astrofisico attraverso diversi messaggeri cosmici, portatori di informazioni differenti e, in molti casi, tra loro complementari.

Nel Mar Mediterraneo, tra i 2500 e 3500 metri di profondità, è in costruzione KM3NeT, un grande rivelatore sottomarino multisito destinato a diventare il più esteso telescopio di neutrini dell’emisfero nord.
Nel 2025 KM3NeT ha osservato un neutrino cosmico di energia eccezionalmente elevata (circa 220 PeV), il più energetico mai osservato fino a ora, la cui origine astrofisica è ancora oggetto di studio. Il telescopio per neutrini KM3NeT sarà una gigantesca infrastruttura in acque profonde distribuita su due rivelatori ARCA e ORCA. Il rivelatore KM3NeT/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) è dedicato principalmente allo studio dei neutrini di più alta energia e delle loro sorgenti nell’universo. Si trova a 3450 m di profondità, a circa 80 km al largo della costa di Portopalo di Capo Passero, in Sicilia. Le sue unità di rivelazione (detection unit, DU) alte 700 m sono ancorate al fondale marino e posizionate a circa 100 m di distanza l’una dall’altra. Ogni DU è dotata di 18 moduli ottici digitali (Digital Optical Module, DOM), ciascuno contenente 31 fotomoltiplicatori (photomultiplier). Nella sua configurazione finale, ARCA comprenderà 230 DU. I dati raccolti vengono trasmessi tramite un cavo sottomarino alla stazione di terra dei Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN. Il rivelatore KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) è ottimizzato per studiare le proprietà fondamentali dei neutrini. Si trova a una profondità di 2450 m, a circa 40 km dalla costa di Tolone, Francia. Sarà composto da 115 DU, ciascuna alta 200 m, e distanziate fra loro di 20 m. I dati raccolti da ORCA vengono inviati alla stazione di terra di La Seyne Sur Mer. KM3NeT è una collaborazione internazionale e una grande infrastruttura di ricerca inclusa nella roadmap dello European Strategy Forum on Research Infrastructure (ESFRI). L’INFN è tra i maggiori enti di ricerca impegnati in KM3NeT, con gruppi di ricerca attivi presso i Laboratori Nazionali del Sud e le sezioni di Bari, Bologna, Catania, Firenze, Genova, Napoli, Padova, e Roma e il gruppo collegato di Salerno, in collaborazione con le corrispondenti università.

Esperimento Km3net. operazioni in mare. credit INFN

Esperimento Km3net. operazioni in mare. (© INFN)

Nuove frontiere della ricerca sui neutrini

La fisica dei neutrini è dunque nata nell’ambito degli studi sul nucleo atomico e, nel corso di circa un secolo, si è progressivamente ampliata fino a diventare uno dei settori più dinamici della ricerca fondamentale. Oggi collega fisica delle particelle, astrofisica e cosmologia, offrendo una prospettiva privilegiata sui fenomeni più estremi dell’universo, dalle esplosioni di supernova e all’evoluzione cosmica su larga scala. Le numerose scoperte teoriche e sperimentali, rese possibili anche dallo sviluppo di tecnologie di frontiera, hanno profondamente trasformato la nostra comprensione di queste particelle elusive. Tuttavia, rimangono ancora questioni fondamentali aperte, al centro del lavoro di collaborazioni scientifiche internazionali alle quali l’INFN partecipa con esperimenti di punta, tra cui quelli ospitati presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso.

Neutrini e antineutrini

Una delle domande cruciali riguarda la natura stessa del neutrino: è una particella distinta dalla sua antiparticella, oppure coincide con essa? Le particelle elementari possiedono una proprietà chiamata spin, scoperta negli anni ’50 del Novecento, che possiamo immaginare come una sorta di rotazione su sé stesse, simile a quella di minuscole trottole. Il neutrino, però, si comporta in modo particolare: a causa del fatto che sente solo le forze deboli e a causa della sua piccolissima massa di fatto ruota soltanto in un verso. Poiché ha una massa piccolissima e interagisce solo tramite l’interazione debole (oltre alla gravità), in natura lo osserviamo sempre con un solo “orientamento” possibile. Questo comportamento implica una violazione della cosiddetta simmetria di parità, una delle simmetrie fondamentali in fisica. Il fenomeno è interpretato con due possibili ipotesi teoriche che attendono una conferma sperimentale. Nella formulazione proposta da Paul Dirac, neutrino e antineutrino sono particelle distinte. Nell’ipotesi avanzata da Ettore Majorana, il neutrino potrebbe coincidere con la propria antiparticella e le due particelle avere solo lo spin opposto. Stabilire se il neutrino sia una particella di Dirac o di Majorana rappresenta ancora oggi uno dei temi centrali della ricerca internazionale.

Esperimento CUORE- LNGS

L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare è in prima linea nella ricerca del neutrino di Majorana. Dimostrare questa proprietà significherebbe fare un passo decisivo nella comprensione delle leggi fondamentali della natura e potrebbe contribuire a spiegare perché nell’universo prevalga la materia sull’antimateria. Questa ricerca si svolge principalmente nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, dove vengono realizzati esperimenti criogenici estremamente sensibili, progettati per osservare un fenomeno rarissimo: il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini. L’eventuale scoperta di questo processo indicherebbe che il neutrino è una particella di Majorana. Tra gli esperimenti protagonisti di questa sfida scientifica ci sono CUORE, un rivelatore fatto di cristalli di tellurio schermati da piombo radiopuro recuperato da una nave romana affondata duemila anni fa a largo della Sardegna, CUPID-0 e i futuri CUPID e LEGEND (successore dell’esperimento GERDA), che rappresentano l’evoluzione tecnologica delle ricerche precedenti. Operando a temperature prossime allo zero assoluto, questi rivelatori sono in grado di misurare segnali energetici rarissimi, compatibili con eventi che potrebbero verificarsi forse una sola volta in tempi lunghissimi.

La massa dei neutrini

Sappiamo che i neutrini hanno una massa, ma determinarne il valore preciso è una delle grandi sfide aperte della fisica. Finora nessun esperimento è riuscito a misurarla direttamente: possiamo solo stabilire un limite superiore. L’esperimento oggi più avanzato in questa ricerca è KATRIN, ospitato al Karlsruhe Institute of Technology, in Germania. KATRIN studia con altissima precisione il decadimento del trizio, un isotopo radioattivo dell’idrogeno. Analizzando l’energia degli elettroni emessi in questo processo, gli scienziati possono ricavare informazioni sulla massa del neutrino. I risultati più recenti hanno mostrato che la massa del neutrino è inferiore a circa mezzo milionesimo della massa dell’elettrone: un valore incredibilmente piccolo, che conferma quanto queste particelle siano leggere rispetto a tutte le altre particelle note.

Esperimento JUNO: sfera di acrilico al centro del rivelatore e fotomoltiplicatori

L’esperimento JUNO è uno dei più ambiziosi progetti internazionali nel campo della fisica dei neutrini. Situato in Cina, a circa 700 metri di profondità sotto la città di Jiangmen, JUNO è un enorme osservatorio sotterraneo che utilizza una sfera di oltre 20.000 tonnellate di liquido scintillatore per rivelare neutrini e antineutrini con altissima precisione. Il principale obiettivo scientifico di JUNO è determinare l’ordinamento delle masse dei neutrini, misurando con grande precisione il modo in cui gli antineutrini prodotti da due centrali nucleari vicine oscillano durante il loro viaggio verso il rivelatore. La collaborazione internazionale dell’esperimento JUNO, con la partecipazione dell’INFN e di numerose altre istituzioni scientifiche, fa di questo esperimento uno dei protagonisti della nuova generazione di rivelatori di neutrini, con un programma di ricerca che coprirà decenni.

Il fondo cosmico di neutrini

Il fondo cosmico di neutrini (in inglese Cosmic Neutrino Background, CνB) è una delle previsioni più affascinanti del modello del Big Bang, ed è anche una delle più difficili da verificare sperimentalmente. Secondo la teoria il fondo cosmico di neutrini è ovunque. Così come esiste il fondo cosmico a microonde (la radiazione fossile emessa circa 380.000 anni dopo il Big Bang), dovrebbe esistere anche un “mare” di neutrini primordiali prodotti quando l’universo era appena nato e che hanno continuato a viaggiare quasi indisturbati fino a oggi. il fondo cosmico di neutrini è una previsione molto solida della cosmologia standard ma è difficilissima da verificare sperimentalmente. Una sfida scientifica e tecnologica molto ambiziosa che si giocherà nei prossimi anni. Potrebbe essere meno difficile misurare l’effetto combinato di questi neutrini usando misure cosmologiche. Infatti, pur leggerissimi, i neutrini fossili del Big Bang sono così numerosi che il loro effetto gravitazionale sul moto collettivo delle galassie e sulla formazione delle strutture cosmiche potrebbe essere osservabili. Il satellite ESA Euclid e il telescopio terrestre Vera Rubin forniranno nei prossimi anni nuove mappe cosmologiche che potrebbero darci informazioni preziose sulla massa dei neutrini.

Il mistero dell’asimmetria tra materia e antimateria

Una delle grandi domande della fisica riguarda l’asimmetria tra materia e antimateria nell’universo. Le teorie indicano che, subito dopo il Big Bang, materia e antimateria siano state prodotte in quantità quasi identiche. Eppure, oggi tutto ciò che consociamo, dalle stelle ai pianeti, fino a noi stessi, è costituito da materia. Che cosa è accaduto all’antimateria? Perché l’antimateria è misteriosamente scomparsa? Una delle ipotesi più affascinanti è che il meccanismo responsabile di questa asimmetria sia legato anche ai neutrini. Alcune loro proprietà, ancora in parte sconosciute, potrebbero aver favorito, nei primi istanti dell’universo, la prevalenza della materia sull’antimateria determinandone il destino. Comprendere il ruolo dei neutrini in questo processo è una delle sfide centrali della fisica contemporanea e potrebbe aiutarci a spiegare perché l’universo esiste nella forma che conosciamo.

Il futuro è long base line

Il futuro della fisica del neutrino passa attraverso esperimenti sempre più complessi e monumentali, basati su fasci di neutrini che viaggiano per centinaia o addirittura migliaia di chilometri prima di essere rivelati. Sono i cosiddetti esperimenti long baseline (LB) in cui gli acceleratori producono intensi fasci di neutrini che vengono “sparati” verso rivelatori giganteschi situati molto lontano dalla sorgente. L’obiettivo è studiare con estrema precisione il fenomeno delle oscillazioni dei neutrini, cioè la loro capacità di trasformarsi da un tipo all’altro durante il viaggio. Proprio osservando come si trasformano lungo il percorso, gli scienziati possono ottenere informazioni cruciali sulle loro proprietà fondamentali.

Negli Stati Uniti è in costruzione il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), un grande progetto internazionale che prevede due complessi di rivelatori sotterranei distanti circa 1300 chilometri tra loro. Il fascio di neutrini sarà prodotto al Fermilab (FNAL), vicino a Chicago, grazie a un nuovo acceleratore superconduttore ad alta intensità. I neutrini viaggeranno poi fino al Sanford Underground Research Facility (SURF), nel South Dakota, dove sarà installato il rivelatore principale sotterraneo (Far Detector). Un rivelatore vicino alla sorgente (Near Detector) misurerà invece le caratteristiche iniziali del fascio. L’Italia, attraverso l’INFN, fornisce un contributo decisivo sia al Near Detector sia al Far Detector ed è inoltre coinvolta con l’esperimento ICARUS, attualmente operativo, la cui tecnologia sarà poi impiegata nei rivelatori di grande scala di DUNE.

In Giappone procedono i lavori per un altro imponente esperimento long baseline: Hyper-Kamiokande. Il cuore del progetto sarà un rivelatore di nuova generazione, costituito da un enorme serbatoio d’acqua situato a circa 600 metri di profondità, con un volume oltre otto volte superiore a quello del suo predecessore, Super-Kamiokande. Il rivelatore si troverà a circa 300 chilometri dall’acceleratore di J-PARC, da cui verrà prodotto il fascio di neutrini. Parallelamente alla costruzione del rivelatore principale, è in corso il potenziamento del fascio di neutrini di J-PARC e la realizzazione di rivelatori intermedi e vicini alla sorgente, fondamentali per caratterizzare il fascio all’inizio del suo lungo viaggio. Anche nel caso di questo progetto, chiamato Tokai-to-Hyper-Kamiokande (T2HK), la partecipazione italiana è ampia e coinvolge diverse sezioni INFN e numerose università.

Questi grandissimi esperimenti del futuro hanno, tra le missioni scientifiche, l’ambizioso obiettivo di studiare le oscillazioni dei neutrini per capire anche se esiste una differenza tra neutrini e antineutrini nelle oscillazioni. Se esiste questa differenza, una violazione della simmetria tra materia e antimateria, potrebbe essere la chiave per comprendere la più grande e antica “sparizione” della storia cosmica: la scomparsa dell’antimateria dall’universo primordiale. comprendere meglio la natura dei neutrini e il loro comportamento significa, quindi, anche avvicinarsi alla risposta sul perché l’universo esiste nella forma che conosciamo oggi.

Per approfondire la scienza e la storia dei neutrini:

Marco Pallavicini | Piccole particelle neutre. I venerdì dell’Universo. Febbraio 2026
Link: https://www.youtube.com/watch?v=6KAyNYao-Oo&t=972s

Neutrini, Asimmetrie n29.novembre 2020
Link: https://archivio.asimmetrie.it/editoriale-29.html

a cura di Ufficio Comunicazione INFN – COMUNICAZIONE ISTITUZIONALE E MEDIA