Verso la comprensione dei neutrini solari: i risultati di SNO.

Sezione INFN di Milano ed Università di Milano Bicocca.

L'origine dell'energia emessa dal Sole è stata, per molti secoli, un grande mistero; solo l'avvento della fisica nucleare e della meccanica quantistica ha fornito una soluzione plausibile a questo problema. Una catena di reazioni termonucleari (il termine è stato coniato proprio per questi processi che avvengono nelle stelle e non, come si potrebbe credere, per definire le reazioni che avvengono nelle bombe all'idrogeno) porta alla fusione di quattro protoni in un nucleo di elio con una perdita di massa del 7 per mille circa e il rilascio della quantità equivalente di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica e, in piccola parte, di neutrini. Sono proprio i neutrini che consentono di identificare quali reazioni partecipano effettivamente alla produzione di energia.L’osservazione diretta di questi neutrini suggerisce l’esistenza di nuovi fenomeni e apre la strada per una “nuova fisica”.


Il modello solare più accreditato imputa al cosiddetto ciclo dell'idrogeno la gran parte dell'energia prodotta dalla nostra stella. In questo ciclo di reazioni termonucleari si hanno le seguenti sorgenti di neutrini:

• la reazione di fusione di due protoni, che avvia tutto il ciclo, con emissione di neutrini di energia modesta (da 0 a 420 keV) e la fusione a tre corpi protone-protone-elettrone (assai poco intensa);

• la cattura elettronica su nuclei di berillio, con emissione di neutrini monocromatici di circa 865 keV, il decadimento del boro-8, con emissione di neutrini nell'intervallo di energie da 0 a circa 15 MeV;

• il modestissimo contributo, in termini di intensità, dalla cattura di protoni su elio-3 ;

• il contributo da alcune reazioni del ciclo detto del CNO, che contribuisce in modo molto modesto alla produzione globale di energia.

Si noti che tutti questi neutrini sono del tipo elettronico.

Benché il flusso sia assai rilevante (6,6 1010 neutrini per cm2 al secondo) questi neutrini sono assai difficili da rivelare in quanto la loro sezione d'urto su nuclei o su elettrone è, a queste energie, assai piccola, da 10-42 a 10-45 cm2 a seconda del tipo specifico di reazione.

Per far breve una lunga ed entusiasmante storia di ricerca sperimentale, ricordiamo:

• Ray Davis jr. e collaboratori che, utilizzando un bersaglio di oltre 600 tonnellate di percloroetilene installato nella miniera di Homestake (South Dakota), hanno per primi rivelato un segnale, attribuibile principalmente ai neutrini del boro-8;

• gli esperimenti giapponesi detti Kamiokande e SuperKamiokande (quest'ultimo è un gigantesco rivelatore che utilizza come bersaglio 50 kton di acqua e la luce Cerenkov per identificare le interazioni) hanno fornito la prova che le interazioni osservate erano dovute realmente a neutrini provenienti dal sole;

• gli esperimenti GALLEX ( ora GNO) al Gran Sasso e SAGE al laboratorio russo Baksan, basati su tecniche radiochimiche con l'uso di gallio, hanno dimostrato che il ciclo dell'idrogeno è effettivamente responsabile della produzione di energia, essendo sensibili anche ai neutrini emessi nella fusione di due protoni.

Tutti questi esperimenti, mentre da un lato confermano la giustezza dell'ipotesi dell'origine nucleare dell'energia solare, sono in significativo disaccordo con le previsioni dei modelli solari più accreditati che, negli anni recenti hanno ricevuto conferme indirette anche da misure di elio-sismologia, cioè sui modi di vibrazione del sole. Infatti, i tassi di interazione misurati sono sensibilmente inferiori (per un fattore tra 0,3 e 0,6 circa) a quelli predetti.Questa discordanza è particolarmente grave nel caso degli esperimenti al gallio, impossibile da riconciliare con i modelli solari, anche introducendovi ipotesi estreme.

Una possibile spiegazione, non trovandosi ragionevoli modifiche ai modelli solari che consentano la riproduzione dei flussi misurati di neutrini, risiede nel fenomeno delle trasformazioni dei neutrini di un tipo (elettronico, muonico e tauonico) in un altro, fenomeno detto “oscillazioni dei neutrini “, proposto già nel 1958 da Bruno Pontecorvo tra neutrini ed antineutrini e successivamente, in modo specifico, per i neutrini solari.

Infatti, se si verifica una oscillazione da neutrini elettronici in neutrini di altro tipo, il segnale ne risulta corrispondentemente diminuito negli esperimenti con cloro e gallio, che sono sensibili solo ai neutrini elettronici; anche gli esperimenti, quali Kamiokande e SuperKamiokande, basati sulla osservazione di eventi di diffusione elastica di neutrini-elettrone su elettroni osserveranno una diminuzione del tasso di interazioni in quanto la corrispondente sezione d'urto è circa 6 volte superiore a quella di neutrini-muone e neutrini-tau.

Un modo assai elegante per chiarire il problema fu proposto anni addietro da H.Chen, che indicò nell’acqua pesante, in cui l’idrogeno è sostituito dal deuterio, un bersaglio ideale per queste ricerche. Infatti, nell’acqua pesante si possono osservare tre tipi di reazioni:

a) la diffusione elastica su elettrone che, come si è detto, può essere generata dai vari tipi di neutrini, ma con predominanza dei neutrini elettronici;

b) il decadimento beta inverso del neutrone (del nucleo di deuterio) che si trasforma, per interazione con un neutrino elettronico, in protone ed elettrone;

c) la disintegrazione del deuterio da neutrini, che può essere indotta. con uguale probabilità da qualunque tipo di neutrino o antineutrino.

La misura dei tassi di interazione per questi tre processi fornisce sia il flusso di neutrini elettronici (tramite la b) che il flusso totale di neutrini (tramite la c e/o la a). L'idea, sicuramente brillante, è stata finalmente realizzata.

Una vasta collaborazione, principalmente tra gruppi canadesi ed americani, ha installato un rivelatore che sfrutta l'effetto Cerenkov in acqua (al pari di Kamiokande e SuperKamiokande), il cui cuore è costituito da 1000 t di acqua pesante, circondate da un opportuno schermo di acqua naturale (Fig 1). Il tutto è installato a grande profondità (circa 7000 metri di acqua equivalente) in una miniera di nichel, in prossimità di Sudbury nell'Ontario Canadese. Da osservare che un tale esperimento poteva realizzarsi solo in Canada, data la ricchezza di acqua pesante in questo paese, conseguenza delle tecnologie lì utilizzate per gli impianti di energia nucleare. L'esperimento è in funzione e nel giugno 2001 ha fornito i primi dati. Questi possono essere così riassunti:

• la misura del tasso di interazione per diffusione elastica, basata sulla osservazione di circa un centinaio di eventi, è in ottimo accordo con quella, statisticamente più accurata, ottenuta da SuperKamiokande;

• è stato misurato, per la prima volta, il tasso di interazione per il processo beta inverso su neutrone;

• i flussi che si deducono da queste due misure sono differenti: il flusso dedotto dalla reazione b è inferiore a quello dedotto dagli eventi di diffusione elastica; la differenza è statisticamente più significativa se per le reazioni su elettrone si considera il dato di SuperKamiokande.

L’interpretazione più semplice e lineare di questi risultati è la seguente:

• i neutrini oscillano tra loro;

• non vi è necessità di invocare nuovi tipi di neutrini (ad es. neutrini “sterili”) per spiegare questo risultato ed il complesso dei dati da neutrino solare;

• nell’ipotesi di oscillazione tra neutrini elettronici, muonici e tauonoci, è possibile valutare il flusso totale di neutrini: esso risulta molto vicino al flusso predetto dal modello standard del Sole e questo, va sottolineato, è un grande successo di questo modello;

• sempre nell’ipotesi di oscillazioni, l’insieme dei dati di neutrino solare consente di limitare le regioni possibili per i parametri che definiscono l’oscillazione; il valore “preferito” (ma, si noti bene, non l’unico) per questi parametri è, nell’ipotesi delle oscillazioni a due neutrini, circa 0,85 per il miscelamento e 4x10-5 eV2 per la differenza tra i quadrati delle masse dei neutrini; questa è nota come soluzione con “large mixing angle (LMA)”. La definizione dei parametri di oscillazione sarà più accurata con il miglioramento dei dati di neutrino solare, di neutrini atmosferici e dei dati da reattori nucleari e da acceleratori.

Il futuro

SNO proseguirà nella raccolta dati; da alcuni mesi è stata disciolta una quantità adeguata di sale nell'acqua pesante per rendere più riconoscibili le interazioni di neutrino-disintegrazione del deuterio (la cattura del neutrone emesso porta ad una quantità di energia più facilmente identificabile); sarà così possibile una misura più accurata del flusso totale (elettronici+muonici+tauonici) di neutrini dal sole e, di conseguenza, della frazione di essi che mantengono l'identità di neutrini elettronici.

Due nuovi esperimenti dovrebbero entrare in funzione in tempi brevissimi:

• KamLand in Giappone, che misurando il flusso di antineutrini dai reattori, è in grado di studiare la zona dei parametri di oscillazione corrispondenti alla cosiddetta “LMA solution”;

• Borexino, al Gran Sasso, consentirà di misurare il flusso dei neutrini prodotti dal berillio;

Inoltre

• GNO, sempre ai Laboratori del Gran Sasso, continuerà a migliorare la sua misura, anche tramite ulteriori calibrazioni dell’apparato;

• SuperKamiokande arricchirà ulteriormente i suoi dati e la relativa analisi.

In tempi relativamente brevi si avrà così una informazione completa su tutto lo spettro energetico relativa al livello di riduzione del flusso di neutrini elettronici, cioé dell’entità del fenomeno delle oscillazioni. Associando queste informazioni a quelle dedotte dalla misura dei cosiddetti neutrini atmosferici, il panorama complessivo sarà sempre meglio definito e, forse, si potrà porre fine a questa lunga e difficile ricerca iniziata oltre trent'anni fa con il pioneristico esperimento di Davis e si confermerà la geniale idea di Bruno Pontecorvo che propose l'esistenza del fenomeno delle oscillazioni di neutrini.

A cura dell' Istituto nazionale di fisica nucleare