Immagine dell'interazione dei neutrini nella camera a bolle del Fermilab scattata nell'aprile 1976 ©Fermilab
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Dai segreti dei neutrini agli enigmi dell’universo:
in conversazione con i Nobel Kajita e McDonald
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Sono le cinque del mattino e in Canada squilla un telefono: un uomo si sveglia di soprassalto, ascolta basito, mette giù, e tutto emozionato abbraccia sua moglie. In Giappone è già tardo pomeriggio, e un altro uomo, intento a leggere la posta, sta per ricevere una chiamata analoga, che lo lascerà di stucco. Si tratta di Arthur McDonald e Takaaki Kajita, l’anno è il 2015, e ai due è stato appena comunicato che l’Accademia Reale Svedese delle Scienze ha conferito loro il Premio Nobel per la Fisica “per la scoperta delle oscillazioni dei neutrini, che dimostra che i neutrini hanno massa”. Kajita, alla guida dell’analisi dati del rivelatore per neutrini atmosferici Super-Kamiokande in Giappone, nel 1998 aveva presentato la scoperta che i neutrini provenienti dall’atmosfera cambiano identità durante il loro viaggio verso il rivelatore. Mentre McDonald, responsabile del fratello ad acqua pesante del rivelatore giapponese, il Sudbury Neutrino Observatory, in Canada, nel 2000 aveva dimostrato che i neutrini provenienti dal Sole non scompaiono durante il loro viaggio verso la Terra, ma vi arrivano con un’identità diversa. In altre parole, entrambi gli esperimenti avevano provato che i neutrini cambiano identità, o meglio cambiano sapore – una metamorfosi chiamata oscillazione possibile solo se i neutrini possiedono massa –, e avevano così aperto una nuova domanda per il Modello Standard, che invece li voleva privi di massa. Oggi, più di dieci anni dopo, abbiamo intervistato McDonald e Kajita per ripercorrere quella sensazionale scoperta, e per guardare coi loro occhi alle prossime.
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Takaaki Kajita e Arthur McDonald
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Intervista a Takaaki Kajita e Arthur McDonald, vincitori del Premio Nobel per la Fisica 2015 “per la scoperta delle oscillazioni dei neutrini, che dimostra che i neutrini hanno massa”
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Takaaki Kajita è professore all’Istituto per la Ricerca sui Raggi Cosmici (ICRR) dell’Università di Tokyo e ha diretto l’analisi dati dell’esperimento Super-Kamiokande, mostrando che i neutrini atmosferici cambiano sapore, prova della loro massa. Per questa scoperta ha ricevuto il Nobel per la Fisica nel 2015. Oggi è tra i protagonisti dell’esperimento KAGRA, per la rivelazione delle onde gravitazionali, e contribuisce allo sviluppo dell’astronomia multimessaggera.
Arthur McDonald è professore emerito alla Queen’s University a Kingston, Canada. Ha guidato il Sudbury Neutrino Observatory (SNO), dimostrando che i neutrini solari cambiano sapore e possiedono massa. Per questa scoperta ha ricevuto il Nobel per la Fisica nel 2015. Oggi è attivo nello sviluppo di grandi esperimenti sotterranei per la ricerca della materia oscura, in particolare nella collaborazione DarkSide ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN.
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Professor McDonald, lei è stato uno dei sedici membri che hanno avviato la collaborazione SNO (Sudbury Neutrino Observatory): che cosa l’ha spinta a credere nel progetto?
[AM] Quando abbiamo avviato il progetto, nella fisica c’era un grande enigma, il cosiddetto deficit dei neutrini solari: erano stati rivelati sulla Terra i neutrini elettronici prodotti dalle reazioni nucleari che avvengono nel Sole, ma erano in numero troppo basso rispetto a quanto previsto da teorie molto sofisticate. Per risolvere questo enigma, dovevamo riuscire a verificare quale fosse il numero totale di neutrini prodotti nel Sole che arrivano sulla Terra. E per farlo, abbiamo utilizzato come bersaglio, nel nostro esperimento, l’acqua pesante – molecole d’acqua in cui l’idrogeno presenta un neutrone in più rispetto all’ordinario –, e abbiamo osservato che il numero totale di neutrini solari che raggiungono la Terra – dato dalla somma dei tre tipi di neutrini, elettronici, muonici e del tau – corrisponde esattamente a quello previsto dai calcoli teorici. Tuttavia, emerse anche che i neutrini elettronici costituivano solo circa un terzo del totale, segno che erano mutati in uno degli altri tipi. Abbiamo scoperto in questo modo il fenomeno dell’oscillazione dei neutrini, il processo attraverso il quale i neutrini, durante il loro percorso dal centro del Sole alla Terra, si trasformano da un tipo a un altro o, detto in gergo, “cambiano sapore”: da elettronico, a muonico e del tau.
Professor Kajita, da dove nasce il suo interesse per i neutrini, e in particolare per i neutrini atmosferici?
[TK] Ero membro dell’esperimento Kamiokande, in Giappone, che cercava il decadimento del protone. E il rumore di fondo nella ricerca del decadimento del protone è costituito dai neutrini prodotti dalle interazioni dei raggi cosmici con l’atmosfera, i cosiddetti neutrini atmosferici. Era quindi essenziale studiarli: la mia motivazione iniziale è sorta così, da un’esigenza. Poi Kamiokande, e anche l’esperimento Irvine-Michigan-Brookhaven negli Stati Uniti hanno fornito indizi molto promettenti di qualcosa di nuovo, e abbiamo costruito Super-Kamiokande, il successore di Kamiokande. Fin dall’inizio, sapevamo che avremmo potuto trovare qualcosa di estremamente interessante studiando i neutrini atmosferici, e ci siamo davvero concentrati sulla loro analisi. Lavoravamo in due gruppi: uno in loco, essenzialmente giapponese, e uno a distanza, essenzialmente statunitense. Ma presto, da un confronto delle due analisi distinte, ci siamo resi conto che avremmo lavorato più efficacemente come un gruppo solo, e a quel punto, unendo le forze, ci siamo impegnati a fondo per comprendere ogni dettaglio, e siamo riusciti a ottenere un risultato significativo dopo soli due anni dall’inizio dell’esperimento.
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Fortezza da Basso, Firenze Fiera
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