riflessioni sul neutrino di majorana

Brevissima storia del neutrino

Nel 1896  l’ingegnere Antoine Henri Becquerel annuncia la scoperta del fenomeno della radioattività. Negli anni successivi, i fisici sperimentali trovano tre forme di radioattività, che vengono emesse dai nuclei degli atomi. Nel 1911 Ernest Rutherford studiando le tre forme di radiazione,  cui darà il nome di alfa, beta e gamma, ipotizza che gli atomi siano formati da un nucleo, circondato da elettroni e tanto, tanto vuoto. Per la radiazione beta, che altro non erano che elettroni che sbucavano letteralmente dal nucleo, le misure davano un risultato sconcertante. Mancava all’appello un poco di energia. I conti non quadravano. Forse bisognava abbandonare uno dei principi basilari della fisica? Ovvero il principio della conservazione della energia?

Wolfgang Pauli

In questo dramma shakespeariano, il grande Bohr era disposto a fare il grande passo, ovvero abbandonare il principio di conservazione dell’energia. Ma un giovane, brillante e sempre creativo Wolfgang Pauli, nel 1930, ipotizza l’esistenza di una nuova particella senza massa, senza carica elettrica, che faceva quadrare  i conti per l’energia mancante. Enrico Fermi nel 1933 darà il nome di Neutrino a questa particella. Forse vale la pena di rimarcare quanto coraggio, capacità di immaginazione e competenza sono necessari per una ipotesi così ardita. Pauli prima di allora si era distinto per alcune cose altrettanto straordinarie:

• a 21 anni scrive la voce Teoria della Relatività per l’Enciclopedia Britannica, che poi viene pubblicato anche come libro su cui si formeranno generazioni di fisici. I più grandi fisici dell’epoca, restano impressionati dalla profonda conoscenza della fisica teorica, sperimentale e delle implicazioni epistemologiche  che Pauli descrive nel suo libro
• a 24 propone l’idea di spin dell’elettrone e il cosiddetto Principio di Esclusione di Pauli. Due cosette che permettono di capire come e perché gli atomi sono disposti nella famosa tavola periodica di Mendeleev. La fisica finalmente pone le basi teoriche per la chimica. Le due stesse cose permettono a noi, ai palazzi … di non crollare su noi stessi e tante altre cose
• a 26 anni Pauli introduce le Matrici di Pauli, un passo fondamentale nella messa a punto della appena nata Meccanica Quantistica

Paul Adrien Maurice Dirac

Le Matrici di Pauli sono una delle fonti su cui Paul Adrien Maurice Dirac costruisce nel 1928 la sua teoria dell’elettrone e la sua celebre equazione, che si può ammirare in una Memorial Stone, a lui dedicata nell’abbazia di Westminster a Londra vicino alla tomba di Isaac Newton.

Questa equazione oltre a descrivere matematicamente lo spin dell’elettrone, prevede anche l’esistenza di un elettrone di carica positiva, il positrone che verrà scoperto nel giro di pochi anni. Ovvero l’Antimateria! Anzi descrive bene tutte le particelle che hanno spin 1/2 come l’elettrone. Lo stesso Dirac durante una conferenza chiamerà Fermioni questa classe si particelle, in onore di Fermi. Dirac era un gran signore! E di queste particelle ce ne sono tante. Ovvero tutta la materia di cui siamo fatti: quark, elettroni..E tra queste ovviamente i Neutrini. Ecco l’equazione di Dirac:

 

Neutrini al plurale. Ancora non erano stati osservati sperimentalmente e ne venivano annunciati altri due. Quindi tre in tutto: il neutrino elettronico (quello di Pauli) compagno dell’elettrone, il neutrino muonico, compagno del muone e il neutrino tau compagno del tauone. Ognuno con la sua relativa antiparticella. Il lettore si chiederà come si può concepire un’antiparticella di una particella che non ha carica elettrica come il neutrino. Corretto! Infatti grazie a questo si è scoperto che i neutrini hanno una “elicità sinistrorsa” e gli antineutrini ce l’hanno “destrorsa”. Un altro modo di essere anti, che viene fuori sempre dall’equazione di Dirac.

Il neutrino: una particella discreta e fonte di vita

Sembra incredibile, ma la prima diretta evidenza sperimentale dei neutrini si avrà nel 1956, 26 anni dopo la proposta di Pauli. Infatti il neutrino è difficilissimo da rivelare. Ogni secondo veniamo attraversati da parecchi miliardi di neutrini che vengono dal Sole e non solo, e non sentiamo assolutamente niente. I neutrini possono attraversare la Terra, il Sole, la nostra Galassia senza accorgersene. Solo raramente interagiscono con le altre particelle.

Eppure solo grazie ai neutrini noi esistiamo e viviamo! Infatti il Sole come le altre stelle brilla grazie alle reazione di fusione nucleare che trasformano l’idrogeno in elio. In questa reazione vengono generati anche neutrini che per la loro natura rallentano la velocità di queste reazioni. Per questo motivo il Sole brilla e non scoppia e brillerà ancora per alcuni miliardi di anni. Grazie neutrini!

Un’altra curiosità. I neutrini emessi anche dal centro del Sole “volano” via e arrivano sulla Terra dopo circa 8 minuti e riusciamo a misurarli, con qualche difficoltà. La luce, i fotoni che pure vengono generati nel cuore del Sole, impiegano invece circa un milione di anni, a causa delle interazioni con gli atomi ionizzati e gli elettroni all’interno del Sole, prima di arrivare in superficie e raggiungerci dopo i soliti 8 minuti.

Un genio siciliano: Ettore Majorana

Enrico Fermi era un genio, fisico teorico e sperimentale, e soprattutto un grande maestro. Dalla sua scuola di via Panisperna a Roma e quella di Chicago verranno fuori quasi 10 premi Nobel. Il più brillante di tutti i suoi colleghi, a detta di Fermi, era Ettore Majorana.

Un teorico puro a differenza degli altri che erano prevalentemente sperimentali. Si dice che Majorana abbia risolto parecchi problemi della fisica di allora, in tram e scrivendo su dei pacchetti di sigarette vuoti che poi buttava nei cestini. Forse la storia non è vera, ma la dice lunga su come era visto dai colleghi. Invece è sicuramente vera la frase irriverente con cui apostrofò i coniugi Joliot-Curie (la figlia di madame Curie). Cito: “quei due ….. hanno scoperto il protone neutro e non se sono accorti”. Il protone neutro, ovvero il neutrone sarà scoperto da li a poco, nel 1932 da  James Chadwick. Fermi era a conoscenza delle intuizioni teoriche di Majorana sul neutrone e lo aveva pregato di pubblicare le sue analisi. Niente da fare. Aveva chiesto a Majorana di poterne accennare ad un convegno sulla fisica nucleare. Niente da fare. Per Majorana il lavoro non era ancora completo e nemmeno presentabile! Un genio che non aveva alcuna ambizione di carriera e notorietà. Ma torniamo ai Neutrini.

Un Neutrino che più neutro non si può

Nel 1937 Majorana pubblica un articolo sul Nuovo Cimento, la rivista della Accademia dei Lincei:    Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone. In questo articolo dimostra, tra tante altre cose, che l’equazione di Dirac ammette anche una soluzione in cui particella e antiparticella coincidono. Si tratta del Neutrino di Majorana! Un anno dopo Majorana scomparirà.

La conferma sperimentale

Per decenni l’ipotesi di Majorana è sembrata una curiosità matematica. Ma molti ricercatori non si sono arresi e hanno continuato a cercarlo. Lo scorso ottobre viene annunciata la scoperta sperimentale del neutrino di Majorana, oltre 75 anni dalla ipotesi. Un gruppo di scienziati pubblica su Science un articolo dal titolo “Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor”. La cosa incredibile è che hanno fatto il tutto in un normale laboratorio, con una barretta di Ferro e Piombo (raffreddata quasi allo zero assoluto, 273 gradi sotto zero) e con pochi soldi. Una scoperta mirabile per una particella così particolare. Ovviamente grande e giusto risalto sulla stampa, con qualche, per me, assurdo commento.

Notizie e Commenti. Un parere molto personale

In quasi in tutti gli articoli dopo una breve descrizione dell’esperimento che conferma la scoperta del neutrino di Majorana, si passa subito alla descrizione di improbabili applicazioni pratiche tra le quali primeggia il “sempre più futuribile” computer quantistico. Come a voler giustificare il lavoro degli scienziati. Ritengo fuorviante, ma ovviamente lecito, questo modo di annunciare una scoperta scientifica.

Siamo di fronte ad una conferma sperimentale di una idea teorica di 75 anni fa. Il tutto ottenuto da valenti scienziati con metodi da laboratorio direi convenzionali. Altro frutto dell’ingegno. Un passo importante per la conoscenza. Una conferma della genialità potenziale dell’uomo e degli strumenti che ha sviluppato (fisica e matematica in questo caso). Perché questa ansia a dimostrare l’immediata applicazione? La nostra vita di tutti i giorni è segnata dall’utilizzo talvolta cosciente, ma spesso inconsapevole di strumenti che discendono dalle ricerche teoriche di Newton, Faraday, Maxwell, Einstein, Dirac, Pauli, solo per citarne alcuni. Nessuno di loro pensava alle future applicazioni quando mettevano a punto le loro teorie. Non erano distratti dal come sfruttare le loro scoperte. Altrimenti, secondo me, semplicemente non le avrebbero fatte. Di li a poco altri le avrebbero utilizzate, cambiando la vita di tutti noi.

Novembre 2014