Come il CERN produce i neutrini che invia verso i laboratori del Gran Sasso?

Produrre i neutrini è il primo passo. Poi bisogna anche essere sicuri che quelli intercettati siano effettivamente quelli inviati…

Elaborazione dell'interazione di un singolo neutrino con OPERA: nell'immagine, il neutrino entra in basso a sinistra e interagisce con un elemento della parete del rivelatore producendo diverse particelle identificabili dalle loro tracce [Credits: CERN 2007].

Elaborazione dell’interazione di un singolo neutrino con OPERA: nell’immagine, il neutrino entra in basso a sinistra e interagisce con un elemento della parete del rivelatore producendo diverse particelle identificabili dalle loro tracce [Credits: CERN 2007].


Il fascio di neutrini impiegato nell’esperimento CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) viene prodotto al CERN accelerando protoni e facendoli scontrare contro un bersaglio fisso. In seguito alla collisione si creano particelle instabili, i pioni, le quali decadono in particelle più leggere. Dopo il processo di decadimento (o di arresto per interazione con la materia) sopravvivono solo i neutrini, che continuano a viaggiare nella direzione originaria del fascio di protoni, verso i Laboratori INFN del Gran Sasso (LNGS), che raggiungono in pochi millisecondi (circa 3).

A destinazione i neutrini sono “accolti” da una massiccia parete rappresentata dal rivelatore di OPERA, costruito per rivelare i segni del loro passaggio. L’apparato sperimentale è posto sottoterra in modo da schermare il fascio di neutrini provenienti dal CERN dalle particelle che provengono dallo spazio. La ricostruzione della direzione (ossia del vertice da cui sono partiti) con complesse operazioni di triangolazione – che all’interno dei laboratori del Gran Sasso si basano su misure effettuate ogni 2 metri – e le operazioni di rilevazione del tempo consentono di essere sicuri che i neutrini intercettati siano effettivamente quelli inviati dal CERN.

[Articolo originariamente pubblicato su FOCUS.it con il titolo “Come si fabbricano i neutrini del CERN? http://www.focus.it/scienza/scienze/come-si-fabbricano-i-neutrini-del-cern-201109241700%5D

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Neutrini più veloci della luce, un dato affidabile? Risponde la ‘Scienza’

I neutrini inviati dal CERN di Ginevra ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Abruzzo sembrano viaggiare più velocemente della luce: una notizia che ha movimentato il dibattito scientifico solo poche settimane fa. Se il dato fosse confermato, infatti, teorie fisiche consolidate dovrebbero essere rivisitate. Ma si tratta di un risultato affidabile? Ne abbiamo parlato direttamente con gli addetti ai lavori, i fisici.

Fasci di neutrini vengono inviati dal CERN di Ginevra ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Abruzzo

Fasci di neutrini vengono inviati dal CERN di Ginevra ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Abruzzo

I milioni di appassionati della serie televisiva Star Trek e di fantascienza in generale hanno una certa confidenza con i tachioni, fantomatiche particelle in grado di viaggiare ad una velocità superiore a quella della luce, i quali entrano spesso in gioco quando gli autori si trovano a dover risolvere un nodo problematico nella trama.

Ma i tachioni sono solo particelle ideali: come ben noto, non c’è elemento di materia o segnale che possa andare più veloce della luce. Si tratta di un pilastro della scienza! O forse no?

A sollevare dubbi è giunta di recente una notizia che, pur sembrando al limite tra scienza e fantascienza, ha fatto il giro del mondo e ha destato l’attenzione anche di chi è completamente a digiuno di fisica: l’esperimento OPERA, il cui immenso rivelatore è sito nel cuore del Gran Sasso, avrebbe scoperto che i neutrini sono dei tachioni.

Neutrini super-luminali?

In particolare, fasci di neutrini aventi energia pari a 17 GeV (ossia un miliardo di electron-volt, unità di misura usata per l’energia delle particelle) vengono inviati dal CERN di Ginevra verso il Gran Sasso, dove il loro passaggio è rilevato tramite la strumentazione di OPERA. Precise misure svolte nell’arco degli ultimi tre anni hanno presentato ai ricercatori uno sbalorditivo risultato: i neutrini viaggerebbero ad una velocità circa 25 miliardesimi di volte superiore a quella della luce.

L’annuncio è stato dato lo scorso 23 settembre tramite comunicato stampa dal portavoce dell’esperimento, Antonio Ereditato, e lo studio presentato alla comunità scientifica nel corso di un seminario svoltosi lo stesso giorno presso il CERN.

La faccenda è delicata: una simile scoperta, infatti, avrebbe parecchie ricadute sul panorama attuale di teorie fisiche, a partire dalla relatività speciale di Einstein, e minerebbe le fondamenta del principio di causalità, che stabilisce l’ordine temporale tra ciò che chiamiamo ‘causa’ ed ‘effetto’.

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L’esperimento e i risultati

Al CERN, laboratorio internazionale sito presso Ginevra al confine tra Francia e Svizzera, vengono prodotti a ritmo costante fasci di neutrini, generati facendo sbattere protoni contro un bersaglio fisso, e inviati in direzione dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, dove i rivelatori dell’esperimento OPERA sono pronti a intercettarli.

I neutrini sono particelle prive di carica elettrica e che interagiscono pochissimo con la materia, pertanto possono viaggiare a lungo nello spazio e attraversare i corpi celesti senza esserne affetti. Noi stessi siamo investiti continuamente da una pioggia di neutrini e non ce ne rendiamo minimamente conto.

Apparato sperimentale di OPERA

Apparato sperimentale di OPERA

Tale scarsa propensione all’interazione, rende estremamente difficile rilevarne il passaggio. Tuttavia, se si inviano ripetutamente quantità enormi di neutrini, si ha una certa probabilità che prima o poi qualcuno di essi venga ‘visto’.

Per intercettare simili elusive particelle, l’esperimento OPERA fa uso di ‘mattoni’ composti di strati di piombo e pellicole di emulsione fotografica, che restano ‘impressionate’ se attraversate da neutrini, o meglio dai prodotti delle loro collisioni con gli atomi di piombo, negli sporadici casi in cui questa interazione avviene.

Il cuore del rivelatore è un’enorme parete fatta di ben 150.000 di tali mattoni, per un peso totale di 1300 tonnellate. La costruzione di tale complessa struttura, accompagnata da altrettanta sofisticata circuiteria e apparecchiatura elettronica per elaborare i segnali prodotti dal passaggio delle particelle, ha avuto inizio nel 2003 ed è terminata del 2008.

L’analisi dei dati raccolti da OPERA nei suoi tre anni di attività, tra la fine del 2008 e il 2011, ha permesso di rilevare come i neutrini ‘sparati’ dal CERN, che percorrono i 732 km che separano il laboratorio ginevrino dal Gran Sasso in meno di 3 millisecondi, arrivino a destinazione 60 miliardesimi di secondo prima dei fotoni, ossia della luce.

La velocità di un oggetto in moto è data dal rapporto fra la distanza percorsa e il tempo impiegato a coprirla. Accurate misure geodetiche hanno permesso ai fisici di OPERA di conoscere la distanza tra il punto di emissione dei neutrini al CERN e il rivelatore al Gran Sasso con un’imprecisione non superiore ai 20cm.

Un altrettanto sofisticato sistema basato sull’uso del GPS ha permesso la sincronizzazione degli ‘orologi’ nei due laboratori, sicché il cosiddetto ‘tempo di volo’, ossia il tempo che intercorre tra l’istante in cui si registra la partenza del fascio di neutrini e il momento in cui essi sono catturati dal rivelatore, è stato misurato con un errore massimo dell’ordine di 10 miliardesimi di secondo.

Dubbi sulla misura

Nonostante la precisione e lo scrupolo con cui misure e analisi dei dati sono state condotte, il risultato resta sconcertante e non facilmente accettabile. Se fosse confermato, varie teorie fisiche consolidate e corroborate da misure sperimentali dovrebbero essere rivisitate.

Ma prima di elaborare spiegazioni teoriche di un simile fenomeno, è fondamentale capire se questo risultato sia affidabile o non ci sia invece un qualche errore insidiosamente nascosto, un difetto nel sistema, che infici la misura.

Gli stessi ricercatori coinvolti nell’esperimento non hanno gridato alla scoperta, bensì con responsabile e sobrio contegno – consono alla ricerca – hanno presentato i risultati alla comunità scientifica, invitando tutti a rifletterci sopra, sollevare dubbi, fare ipotesi, proporre misure alternative da compiere tramite altri rivelatori.

In tal senso è eloquente la stessa frase che chiude l’articolo scientifico redatto dai fisici di OPERA: “Nonostante la grande significatività della misura riportata e la stabilità dell’analisi, il potenziale grande impatto del risultato motiva la continuazione dei nostri studi per investigare altri effetti sistematici ignoti che potrebbero spiegare l’anomalia osservata. Evitiamo deliberatamente di proporre una spiegazione teorica o fenomenologica del risultato”.

Le reazioni della comunità scientifica

Passata la sbornia dell’eccitazione per una notizia così sorprendente, l’atteggiamento dominante negli ambienti di ricerca è ispirato alla massima cautela e ad un certo scetticismo, non nei confronti della serietà dell’analisi svolta, da tutti riconosciuta, quanto per l’accettabilità del risultato.

“Se confermato, ciò sarebbe straordinario. Ma affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie e non siamo ancora a tal punto”, commenta il professor Franz Muheim, a capo dell’Istituto per la Fisica Nucleare e delle Particelle dell’Università di Edimburgo.

Il dibattito è aperto e molto attivo. Numerosi esperti stanno analizzando in dettaglio l’analisi condotta da OPERA per individuare gli eventuali punti deboli. Un’opinione molto diffusa è che ci debba essere qualche fenomeno che i fisici autori dello studio non hanno tenuto adeguatamente in conto nella sincronizzazione degli orologi, o forse nell’incertezza statistica con cui è noto l’istante preciso in cui il singolo neutrino viene prodotto nella collisione del fascio di protoni con il bersaglio.

L’ esperimento è senza dubbio molto complesso, data l’elusività dei neutrini, e una misura del genere richiede estrema precisione. Ulteriori indagini e conferme o smentite da parte di altri esperimenti indipendenti si rendono necessarie.

Quali le conseguenze?

Sebbene le possibilità che si tratti di scoperta (e non invece l’effetto di un errore sistematico) non siano elevate, in tanti – anche solo per esercizio mentale – si stanno lambiccando per trovare una spiegazione che renda ragione di tale risultato.

Le conseguenze immediate ricadrebbero, come già accennato, sulla teoria dellarelatività speciale di Einstein, la quale assume che niente, particella o onda, possa viaggiare ad una velocità superiore a quella della luce.

La formulazione matematica di tale teoria è basata su delle equazioni chiamate trasformazioni di Lorentz, le quali mettono in evidenza come spazio e tempo non siano concetti assoluti e indipendenti, bensì strettamente connessi, in quanto il tempo dipende dalla posizione e dalla velocità del sistema di riferimento in relazione al quale lo si considera.

Il nostro Universo è quindi descritto da tre coordinate spaziali ed una quarta, il tempo, che sono legate tra loro dalle trasformazioni di Lorentz. Tali equazioni contengono al loro interno, come costante di riferimento, la velocità della luce nel vuoto. È qui che sorgerebbe il problema, nel caso in cui il risultato di OPERA venisse confermato e si scoprisse che effettivamente i neutrini superano tale limite massimo di velocità.

Ignatios Antoniadis, leader della divisione teorica del CERN e direttore di ricerca in congedo dal Centro di Fisica Teorica del CNRS

Ignatios Antoniadis, leader della divisione teorica del CERN e direttore di ricerca in congedo dal Centro di Fisica Teorica del CNRS

“Questa scoperta implicherebbe una ‘piccola’ violazione dell’invarianza di Lorentz, che è uno dei principi delle teorie attuali che descrivono la fisica delle particelle elementari e delle loro forze fondamentali”, afferma Ignatios Antoniadis, leader della divisione teorica del CERN e direttore di ricerca in congedo dal Centro di Fisica Teorica del CNRS (ente nazionale francese di ricerca scientifica).

“Potrebbe darsi, per esempio – continua Antoniadis – che tale violazione derivi dal fatto che lungo una direzione ‘preferita’ nello spazio la velocità della luce sia differente”. Stiamo forse parlando di extra-dimensioni? “No – risponde Antoniadis – bensì di una dimensione di quelle note (o di una parte di universo), che sarebbe ‘speciale’ per cui qualche particella, come i neutrini, potrebbe viaggiare in essa ad una velocità superiore a quella della luce”.

Gian Giudice, fisico teorico del CERN

Gian Giudice, fisico teorico del CERN

Gian Giudice, fisico teorico del CERN, fornisce una spiegazione analoga: “Significherebbe che i neutrini vedono spazio e tempo in modo diverso quindi la visione dello spazio-tempo fornita dalla teoria della relatività speciale dovrebbe essere modificata. Forse esso è permeato da una sostanza che distingue lo spazio dal tempo, o che rende differenti le varie direzioni dello spazio”.

Altri teorici invece hanno supposto che i neutrini possano prendere una ‘scorciatoia’ passando attraverso un’extra-dimensione.

E che ne sarebbe del principio di causalità, anch’esso strettamente legato alla relatività? Tale principio definisce ciò che intendiamo normalmente come ‘causa’ ed ‘effetto’ di un’azione o evento, inseriti in un preciso ordine temporale, che non ci consente di muoverci lungo la freccia del tempo in direzione contraria. Se tale principio fosse violato, si potrebbe auspicare che in realtà le particelle possano viaggiare indietro nel tempo.

“Non è necessario ammettere una violazione del principio di causalità per dare ragione di particelle che si muovano ad una velocità superiore a quella della luce – spiega Giudice -. La superluminalità implica una violazione della causalità solo se si assume l’invarianza di Lorentz (cioè l’indipendenza delle leggi fisiche dalla scelta di particolari sistemi di riferimento). È possibile quindi immaginare contesti in cui il neutrino corra più veloce della luce, senza entrare in paradossi secondo i quali noi possiamo modificare il nostro passato”.

È dunque possibile che qualcosa viaggi indietro nel tempo? “La struttura della relatività generale (estensione della relatività speciale concepita da Einstein per rendere ragione del comportamento della forza di gravità, ndr) non esclude questa possibilità” – risponde Giudice –. È plausibile però che nel nostro universo non si possano mai soddisfare le condizioni che permettano di inviare informazioni indietro nel tempo”.

Aspettiamo dunque che l’iter di revisione dello studio di OPERA abbia luogo secondo il normale processo scientifico prima di dare risposte certe. In ogni caso, poca soddisfazione per gli amanti della fantascienza: si potrà anche continuare a fantasticare di velocità superluminali e viaggi nel tempo, ma la scienza è (giustamente) molto più conservativa e le scoperte non sempre vanno nella direzione dei desideri. Per quelli, resta la science fiction.

[Articolo originariamente pubblicato su ilcambiamento.it  http://www.ilcambiamento.it/culture_cambiamento/neutrini_piu_veloci_luce.html]