Siamo inondati di neutrini. Sono tra le più leggere delle due dozzine di particelle subatomiche conosciute e provengono da tutte le direzioni: dal Big Bang che ha dato inizio all'universo, dalle stelle che esplodono e, soprattutto, dal sole. Vengono dritti attraverso la terra quasi alla velocità della luce, per tutto il tempo, giorno e notte, in numero enorme. Circa 100 trilioni di neutrini passano attraverso i nostri corpi ogni secondo.
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Il problema per i fisici è che i neutrini sono impossibili da vedere e difficili da rilevare. Qualsiasi strumento progettato per farlo può sembrare solido al tatto, ma per i neutrini, anche l'acciaio inossidabile è per lo più spazio vuoto, tanto quanto un sistema solare è aperto a una cometa. Inoltre, i neutrini, a differenza della maggior parte delle particelle subatomiche, non hanno carica elettrica - sono neutri, da cui il nome - quindi gli scienziati non possono usare forze elettriche o magnetiche per catturarle. I fisici li chiamano "particelle fantasma".
Per catturare queste entità sfuggenti, i fisici hanno condotto esperimenti straordinariamente ambiziosi. In modo che i neutrini non vengano confusi con i raggi cosmici (particelle subatomiche dallo spazio che non penetrano nella terra), i rivelatori vengono installati in profondità nel sottosuolo. Enormi sono stati collocati in miniere d'oro e di nichel, in tunnel sotto le montagne, nell'oceano e nel ghiaccio antartico. Questi dispositivi stranamente belli sono monumenti per la determinazione dell'umanità a conoscere l'universo.
Non è chiaro quali applicazioni pratiche verranno dallo studio dei neutrini. "Non sappiamo dove porterà", afferma Boris Kayser, fisico teorico del Fermilab a Batavia, Illinois.
I fisici studiano i neutrini in parte perché i neutrini sono personaggi così strani: sembrano infrangere le regole che descrivono la natura nella sua forma più fondamentale. E se i fisici riusciranno mai a soddisfare le loro speranze di sviluppare una teoria coerente della realtà che spieghi le basi della natura senza eccezioni, dovranno rendere conto del comportamento dei neutrini.
Inoltre, i neutrini incuriosiscono gli scienziati perché le particelle sono messaggeri dai confini esterni dell'universo, creati da esplosioni violente di galassie e altri misteriosi fenomeni. "I neutrini possono essere in grado di dirci cose che le particelle di più humdrum non possono", dice Kayser.
I fisici immaginavano i neutrini molto prima di averne mai trovato uno. Nel 1930, hanno creato il concetto per bilanciare un'equazione che non si stava sommando. Quando il nucleo di un atomo radioattivo si disintegra, l'energia delle particelle che emette deve essere uguale all'energia contenuta in origine. Ma in effetti, osservano gli scienziati, il nucleo stava perdendo più energia di quella che stavano rilevando i rivelatori. Quindi, per rendere conto di quell'energia in più, il fisico Wolfgang Pauli ha concepito una particella in più, invisibile, emessa dal nucleo. "Oggi ho fatto qualcosa di molto brutto proponendo una particella che non può essere rilevata", scrisse Pauli nel suo diario. "È qualcosa che nessun teorico dovrebbe mai fare."
Gli sperimentatori iniziarono comunque a cercarlo. A metà degli anni '50, in un laboratorio di armi nucleari nella Carolina del Sud, stazionarono due grandi serbatoi d'acqua all'esterno di un reattore nucleare che, secondo le loro equazioni, avrebbero dovuto produrre dieci trilioni di neutrini al secondo. Il rivelatore era minuscolo per gli standard odierni, ma riusciva comunque a individuare i neutrini: tre all'ora. Gli scienziati avevano stabilito che il neutrino proposto era in realtà reale; studio della particella elusiva accelerata.
Un decennio più tardi, il campo si è ingrandito quando un altro gruppo di fisici ha installato un rivelatore nella miniera d'oro di Homestake, a Lead, nel Dakota del Sud, a 4.850 piedi di profondità. In questo esperimento gli scienziati hanno iniziato a osservare i neutrini monitorando ciò che accade nella rara occasione in cui un neutrino si scontra con un atomo di cloro e crea argon radioattivo, che è facilmente rilevabile. Al centro dell'esperimento c'era un serbatoio riempito con 600 tonnellate di un liquido ricco di cloro, il percloroetilene, un fluido usato nel lavaggio a secco. Ogni pochi mesi, gli scienziati lavavano il serbatoio ed estraevano circa 15 atomi di argon, prove di 15 neutrini. Il monitoraggio è continuato per oltre 30 anni.
Sperando di rilevare neutrini in numero maggiore, gli scienziati in Giappone condussero un esperimento a 3.300 piedi di profondità in una miniera di zinco. Super-Kamiokande, o Super-K come è noto, ha iniziato a funzionare nel 1996. Il rilevatore è costituito da 50.000 tonnellate di acqua in un serbatoio a cupola le cui pareti sono coperte da 13.000 sensori di luce. I sensori rilevano il lampo blu occasionale (troppo debole per essere visto dai nostri occhi) quando un neutrino si scontra con un atomo nell'acqua e crea un elettrone. E tracciando l'esatto percorso che l'elettrone percorreva nell'acqua, i fisici potevano dedurre la fonte, nello spazio, del neutrino in collisione. La maggior parte, hanno scoperto, veniva dal sole. Le misurazioni erano sufficientemente sensibili che Super-K poteva tracciare il percorso del sole attraverso il cielo e, da quasi un miglio sotto la superficie della terra, guardare il giorno trasformarsi in notte. "È davvero una cosa eccitante", afferma Janet Conrad, fisico del Massachusetts Institute of Technology. Le tracce di particelle possono essere compilate per creare "una bella immagine, l'immagine del sole nei neutrini".
Ma gli esperimenti di Homestake e Super-K non hanno rilevato tanti neutrini quanti i fisici si aspettavano. La ricerca dell'Osservatorio del Neutrino di Sudbury (SNO, pronunciato "neve") ha determinato il perché. Installato in una miniera di nickel profonda 6.800 piedi in Ontario, SNO contiene 1.100 tonnellate di "acqua pesante", che ha una forma insolita di idrogeno che reagisce relativamente facilmente con i neutrini. Il fluido è contenuto in una vasca sospesa all'interno di un'enorme sfera acrilica che è a sua volta contenuta in una sovrastruttura geodetica, che assorbe le vibrazioni e su cui sono appesi 9.456 sensori di luce - il tutto sembra un ornamento di un albero di Natale alto 30 piedi.
Gli scienziati che lavorano alla SNO hanno scoperto nel 2001 che un neutrino può cambiare spontaneamente tra tre diverse identità o, come dicono i fisici, oscilla tra tre gusti. La scoperta ebbe implicazioni sorprendenti. Per prima cosa, ha dimostrato che esperimenti precedenti avevano rilevato molti meno neutrini di quanto previsto perché gli strumenti erano sintonizzati su un solo sapore di neutrino - il tipo che crea un elettrone - e mancavano quelli che cambiavano. Per un altro, la scoperta ha rovesciato la convinzione dei fisici che un neutrino, come un fotone, non ha massa. (Oscillare tra i sapori è qualcosa che solo le particelle con massa sono in grado di fare.)
Quanta massa hanno i neutrini? Per scoprirlo, i fisici stanno costruendo KATRIN, l'esperimento sul neutrio al trizio di Karlsruhe. Il settore commerciale di KATRIN vanta un dispositivo da 200 tonnellate chiamato uno spettrometro che misurerà la massa di atomi prima e dopo la loro decadenza radioattiva, rivelando così quanta massa trasporta il neutrino. I tecnici hanno costruito lo spettrometro a circa 250 miglia da Karlsruhe, in Germania, dove l'esperimento opererà; il dispositivo era troppo grande per le strade strette della regione, quindi fu messo su una barca sul fiume Danubio e galleggiò oltre Vienna, Budapest e Belgrado, nel Mar Nero, attraverso l'Egeo e il Mediterraneo, intorno alla Spagna, attraverso il Canale della Manica, a Rotterdam e nel Reno, quindi a sud fino al porto fluviale di Leopoldshafen, in Germania. Lì fu scaricato su un camion e scricchiolò attraverso la città fino alla sua destinazione, due mesi e 5.600 miglia più tardi. Si prevede che inizi a raccogliere dati nel 2012.
I fisici e gli astronomi interessati alle informazioni che i neutrini provenienti dallo spazio potrebbero trasportare su supernova o galassie in collisione hanno creato "telescopi" per neutrini. Uno, chiamato IceCube, si trova all'interno di un campo di ghiaccio in Antartide. Una volta completato, nel 2011, sarà composto da oltre 5.000 sensori di luce blu (vedi diagramma sopra). I sensori non sono rivolti verso il cielo, come ci si potrebbe aspettare, ma verso il suolo, per rilevare i neutrini dal sole e dallo spazio esterno che provengono dal pianeta da nord. La terra blocca i raggi cosmici, ma la maggior parte dei neutrini sfreccia attraverso il pianeta largo 8.000 miglia come se non ci fosse.
Un esperimento di neutrino a lunga distanza si sta svolgendo in diversi stati del Midwest. Un acceleratore ad alta energia, che genera particelle subatomiche, spara raggi di neutrini e particelle correlate fino a una profondità di sei miglia, sotto l'Illinois settentrionale, attraverso il Wisconsin e nel Minnesota. Le particelle iniziano da Fermilab, come parte di un esperimento chiamato Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS). In meno di tre millesimi di secondo, hanno colpito un rivelatore nella miniera di ferro di Soudan, a 450 miglia di distanza. I dati raccolti dagli scienziati complicano la loro immagine di questo mondo infinitesimale: ora sembra che le forme esotiche di neutrini, i cosiddetti anti-neutrini, possano non seguire le stesse regole di oscillazione di altri neutrini.
"Cosa c'è di bello", dice Conrad, "è che non è quello che ci aspettavamo."
Quando si tratta di neutrini, molto poco lo è.
L'ultimo libro di Ann Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, parla dello Sloan Digital Sky Survey, uno sforzo per mappare l'universo.
La maggior parte dei neutrini che ci bombardano provengono dal sole, mostrato qui in un'immagine ultravioletta. (NASA) 
Il rivelatore cavernoso Super-Kamiokande in Giappone è allineato con 13.000 sensori per individuare i segni di neutrini. I lavoratori di una barca controllano il dispositivo mentre si riempie d'acqua. (Osservatorio Kamioka, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Università di Tokyo) 
In una serie di reazioni al centro del sole, gli atomi di idrogeno creano elio attraverso la fusione. Il processo rilascia energia e particelle subatomiche, compresi i neutrini. Quando un fotone, o particella di luce, lascia il nucleo denso del sole, rimane intrappolato nel calore e nella furia e potrebbe non raggiungerci per milioni di anni. Ma un neutrino solare è imperterrito e raggiunge la terra in otto minuti. (Samuel Velasco / 5W Infographics) 
L'osservatorio canadese di Neutrino di Sudbury ha confermato che un neutrino può cambiare la sua identità. (SNO) 
I fisici del Brookhaven National Laboratory di New York, mostrati qui nel rivelatore STAR del laboratorio, sperano di sparare un fascio di neutrini sottoterra alla miniera di Homestake nel South Dakota. (BNL) 
Il rilevatore di neutrini MINOS in Minnesota è il bersaglio di fasci di neutrini sparati dall'Illinois. (Fermilab Visual Media Services) 
Lo spettrometro KATRIN, che misurerà la massa del neutrino, spremuto attraverso Leopoldshafen, in Germania, in rotta verso un laboratorio. (Istituto di tecnologia di Karlsruhe) 
Il rilevatore di neutrini IceCube in Antartide è incorporato nel ghiaccio. Con 5.000 sensori collegati a più di 70 linee, IceCube cercherà neutrini che hanno attraversato 8.000 miglia attraverso il pianeta. (Università del Wisconsin-Madison) 
Una serie di sensori scende in un buco profondo 8.000 piedi. (Jim Haugen / National Science Foundation)
