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3 luglio 2012

Natura del neutrino e decadimento doppio beta

Il laboratorio dell’INFN al Gran Sasso, oggetto di un articolo di Nature, dà un omaggio alla fisica italiana, e anche al ruolo del nostro Paese.
Le illustrazioni, da parte di uno studioso come Marco G.Giammarchi:

‘Il Modello Standard delle particelle elementari, e delle loro interazioni, è certamente una delle più grandi conquiste della fisica moderna. Sviluppatosi nel corso di svariati decenni, il modello comprende tutte le particelle note, e descrive tre delle interazioni fondamentali, utilizzando una ventina di parametri liberi,o di costanti da determinare sperimentalmente.
Le particelle, che compaiono nel Modello Standard, sono state tutte scoperte sperimentalmente, con l’importante eccezione del bosone di Higgs. Una di queste particelle tuttavia, per quanto conosciutissima, presenta ancora aspetti piuttosto misteriosi: si tratta del neutrino.
Dei neutrini, per la verità, sappiamo molte cose. Conosciamo molti processi in cui compaiono,il loro modo di interagire e le loro sezioni d’urto. Sappiamo che non hanno carica elettrica, e che subiscono solo l’interazione debole ,oltre naturalmente alla gravità. Sappiamo inoltre che oscillano tra i loro diversi stati, una scoperta che già di per sé costituisce una estensione del Modello Standard.
Eppure, nonostante tutte queste conoscenze, il neutrino è ancora una particella in parte sconosciuta. E questo è dovuto proprio alle sue caratteristiche peculiari, come il fatto di ubbidire solo alle interazioni deboli. Il che pure ha delle implicazioni importanti,visto che le interazioni deboli sono quelle che violano la simmetria di parità (inversione degli assi spaziali). E dato che il neutrino interagisce solo per mezzo di questa interazione,esso mostra, in modo plateale, proprio tale tipo di violazione. Infatti, il neutrino esiste solo nella versione “sinistrorsa”, mentre l’anti-neutrino esiste solo nella versione “destrorsa”. Si tratta di un caso del tutto unico nel mondo delle particelle elementari.
Tutto questo ha una ulteriore e drammatica conseguenza. Se vogliamo studiare un neutrino, noi osserveremo, dei suoi stati, solo quello sinistrorso. Mentre invece, di un anti-neutrino, avremo solo la versione destrorsa.
In pratica,su quattro possibilità (neutrino destrorso e sinistrorso, anti-neutrino destrorso e sinistrorso),se ne verificano solo due. In questa descrizione, è da sottolineare che il neutrino e l’anti-neutrino sono l’anti-particella l’una dell’altra. Si dice che questa è la visione di Dirac del neutrino.
Tuttavia, e questo è il punto cruciale, noi possiamo solo dire che, a livello sperimentale, si osservano uno stato destrorso e uno stato sinistrorso. E se le cose stanno così, allora non possiamo escludere un’altra possibilità : che il neutrino, cioè, sia una particella sola, coincidente con la sua anti-particella. E che quelli che noi osserviamo siano i suoi stati destrorso e sinistrorso. Si parla, in questo caso, di neutrino di Majorana.
La questione se il neutrino sia di Dirac o di Majorana, è tuttora irrisolta nella fisica del neutrino. L’unico modo conosciuto per risolverla è la ricerca di un processo, come il decadimento doppio beta senza neutrini, che è possibile solo nel caso di Majorana, e non nel caso di Dirac.
Questo processo, il decadimento doppio beta senza neutrini, non solo è un chiaro indicatore della natura di Majorana del neutrino, ma ha anche altre proprietà interessanti. Innanzitutto,la sua sensibilità al valore assoluto della massa del neutrino. E si tratta di una informazione preziosissima, visto che gli esperimenti di oscillazione sui neutrini sono sensibili solo a differenze di massa.
Inoltre, il verificarsi di tale reazione indicherebbe una violazione del numero leptonico, più profonda di quella osservata con gli esperimenti di oscillazione. Nel processo, infatti, il nucleo si trasformerebbe in un altro nucleo, emettendo ben due elettroni. E questa è una violazione di due unità del numero leptonico.
Date queste caratteristiche, certamente non sorprende il fatto che vi sia una lunga tradizione di esperimenti per la ricerca di questo processo. E siccome il decadimento doppio beta è possibile, solo quando il normale decadimento beta è soppresso, la ricerca può fare uso solo di certi nuclei della tavola dei nuclidi,come il Ge-76, lo Xe-136 o il Te-130. Ognuno degli esperimenti in corso o in costruzione, è quindi basato su uno specifico nuclide, potenzialmente doppio-beta attivo.
Trattandosi della ricerca di un processo raro, questi esperimenti hanno la necessità di abbattere il fondo radioattivo naturale, che darebbe una intollerabile proliferazione di falsi segnali. Questi studi vengono quindi condotti nei laboratori sotterranei, cone il Laboratorio del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Ed infatti proprio al Gran Sasso sono in fase di partenza due esperimenti di grande rilievo per lo studio del decadimento doppio beta senza neutrini.
Si tratta dell’esperimento GERDA, per lo studio del Ge-76, e dell’esperimento CUORE, basato sul Te-130, il cui spokesman è Oliviero Cremonesi, dell’Infn di Milano Bicocca.
Questi esperimenti fanno parte di un nutrito panorama di proposte a livello mondiale, che comprende – a titolo di esempio – Kamland-Zen in Giappone (basato sullo Xe-136), SNO+ in Canada (che studia il Nd-150) ed EXXO negli USA (ancora sullo Xe-136).
Date le sensibilità di progetto di questi esperimenti, è proprio da questa direzione che potrebbe provenire una sorpresa inaspettata. Se il decadimento doppio beta venisse osservato, vorrebbe dire che il neutrino è una particella di Majorana. E sarebbe un’ulteriore sorpresa, e una ulteriore modificazione del Modello Standard, dovuta alle strane proprietà di questa particella.’

L’articolo intero è presente su NatureGran Sasso: Chamber of physics.

 

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