I reattori nucleari confermano l'oscillazione dei neutrini solari

Autore:
dottor Carlo Bemporad
Università e sezione INFN di Pisa

Nell'arco di circa trenta anni la conoscenza e la comprensione dei fenomeni associati ai neutrini è notevolmente aumentata. In particolare, le ricerche relative all’emissione di neutrini dal sole e quelle legate al fenomeno delle oscillazioni risultano essere fra le più belle indagini intraprese in fisica, un trionfo scientifico, una combinazione di intelligenza, di capacità teorica e sperimentale, di lento e costante progresso fra le mille difficoltà poste dalla complessità dei fenomeni e dai notevoli problemi osservativi. In questi ultimi mesi l'esperimento KamLAND ha fornito la prima prova delle oscillazioni dei neutrini emessi dai reattori nucleari.

Senza pretesa di rigore proviamo a ripercorrere, almeno da un certo punto in poi, le tappe principali di questa storia. Dopo l'era pionieristica di Pauli e Fermi dei primi anni ‘30 [nota1], la scoperta del neutrino, mediante un esperimento presso un reattore nucleare condotto da Reines e Cowan, avviene a più di 25 anni di distanza dalla formulazione dell'ipotesi della sua esistenza.

Ciò prova le grandi difficoltà di indagine legate a questo ramo di ricerca in fisica. È Bruno Pontecorvo nel 1946 a proporre l'uso dei reattori nucleari come sorgenti sufficientemente intense da rendere possibile lo studio dei neutrini in laboratorio. È sempre Pontecorvo, nello stesso anno, a suggerire di usare un processo radiochimico per la rivelazione dei neutrini solari, mediante la reazione

neutrino + cloro-37 Æ argon-37 + elettrone.

La possibilità delle oscillazioni dei neutrini nel vuoto [nota2] viene da lui ipotizzata nel 1958 e viene poi ripresa da Maki, Nakagawa, Sakata e da lui stesso, per quel che riguarda le oscillazioni tra diversi tipi di neutrino. Il quadro teorico ha avuto un importante completamento con lo studio del comportamento dei neutrini nella materia (Wolfenstein 1978) e della previsione della conversione risonante del tipodei neutrini nella materia solare (Mikheev e Smirnov 1986).

Raymond Davies [nota3] nel 1969 iniziò l'era dell'astrofisica osservativa dei neutrini realizzando il primo esperimento radiochimico per la rivelazione dei neutrini solari nella miniera di Homestake negli USA. Sono anche gli anni dello sviluppo del “Modello Solare Standard” (MSS) di Bahcall ed altri, dopo la fase pioneristica iniziata da Bethe nel 1939 che identificò in uno schema di più reazioni nucleari di fusione il meccanismo dell'emissione dell’energia stellare. Segue un lento accumularsi di dati, prima da parte dell’esperimento Homestake, poi con il contributo di nuovi esperimenti, quali Kamiokande e Super-Kamiokande in Giappone, che porta alla determinazione, con sempre maggiore certezza, di un flusso di neutrini inferiore alle previsioni del MSS: il deficit dei neutrini solari. Inizia un dibattito pluriennale fra un tentativo di spiegazione “astrofisica” (critiche al MSS) di questo fenomeno ed un tentativo di spiegazione “particellare” (oscillazioni dei neutrini).

La soluzione del problema è avvenuta con lo sviluppo di nuovi esperimenti radiochimici che permettevano di sfruttare reazioni con soglia più bassa e quindi di misurare il grande flusso dei neutrini prodotti della reazione di innesco del ciclo del Sole

protone + protone Æ deutone + positrone + neutrino

che è calcolabile con maggiore precisione che non quello dei neutrini prodotti dalle altre reazioni che contribuiscono al ciclo di produzione di energia solare. La reazione usata è

neutrino + gallio-71 Æ germanio-71 + elettrone.

Il successo degli esperimenti con il Gallio (Gallex nel Laboratorio del Gran Sasso e Sage in Russia) fornisce la prova sicura e precisa del deficit dei neutrini solari.

Va notato che nel rendere più affidabile e meglio definito il MSS sono state fondamentali le informazioni provenienti dall'elio-sismologia, con i suoi sorprendenti successi. Anche estremamente rilevanti appaiono oggi gli esperimenti del programma LUNA [nota4], eseguiti presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sullo studio di alcune reazioni nucleari che avvengono nel Sole, per la prima volta misurate alle energie corrette, evitando le pericolose estrapolazioni da energie molto più elevate di quelle presenti nel Sole. La maggiore affidabilità guadagnata dal MSS ha contribuito ad orientare sempre di più verso una soluzione “particellare” del problema del deficit dei neutrini solari.

È opportuno anche ricordare altri due fondamentali progressi della fisica dei neutrini, maturati nel corso degli anni. Il primo è la scoperta di altri due tipi di neutrini: il neutrino muonico nel 1962 e del neutrino tauonico in questi ultimi anni [nota5]; il secondo è la scoperta delle interazioni di neutrini per corrente neutra avvenuta al CERN nel 1973. Per ragioni di brevità non viene qui discusso il problema relativo ai neutrini atmosferici, che, attraverso una serie di esperimenti, è stato anch’esso risolto tramite una soluzione basata sulle oscillazioni dei neutrini. Questa indagine sarà veramente conclusa mediante gli esperimenti ad acceleratori su lunga base, quali quelli del programma CERN-Gran Sasso.

L'ultimo quinquennio ha visto un'accelerazione nella comprensione della fenomenologia dei neutrini solari e nella verifica sperimentale del meccanismo delle oscillazioni dei neutrini. Non si deve però dimenticare che, ad esempio, il bellissimo e cruciale esperimento SNO [nota6] ha richiesto un investimento decennale di ingegno e duro lavoro per la sua realizzazione. Ciò ha lentamente prodotto uno strumento della qualità necessaria per la difficile misura delle interazioni di corrente neutra in acqua pesante. Il fatto che i neutrini-elettrone scomparsi si manifestino in SNO sotto altre spoglie, attraverso le interazioni di corrente neutra, ha potuto provare contemporaneamente sia la validità quantitativa del MSS che il meccanismo delle oscillazioni di neutrini.

Recentemente la prova della piena validità della soluzione di oscillazioni di neutrini nella particolare condizione detta “Large Mixing Angle”, fra quelle ancora ammesse mettendo insieme l'informazione di tutti gli esperimenti di tipo osservativo astrofisico, è stata fornita dall'esperimento KamLAND in Giappone, che rivela i neutrini prodotti artificialmente da reattori nucleari commerciali ad una distanza media di 180 chilometri dal rivelatore situato nella minera Kamioka (Fig.1). KamLAND è stato chiamato “the ultimate reactor experiment”. Non sarà probabilmente l’ultimo... ma la sua importanza in questa fase dell'indagine è indubbia.

Gli esperimenti di tipo osservativo astrofisico, condotti lungo un periodo di più di 30 anni, hanno portato alla scoperta di una massa non nulla del neutrino e del fenomeno delle oscillazioni, ipotizzato ben 45 anni fa. È una prova di intelligenza e di duttilità nella scelta dei metodi di indagine il fatto che una parola importante e conclusiva sia ora ottenuta mediante un esperimento basato su neutrini prodotti artificialmente. Dopo l'iniziale esperimento di Reines e Cowan, gli esperimenti ai reattori, quali Goesgen, Bugey, Krasnoyarsk, Chooz, Palo Verde ed infine KamLAND, sono intervenuti più volte, in modo determinante, nel completare il quadro osservativo e nel fornire una parte delle risposte a questioni di fisica del neutrino (Fig.2 – 3).

Le problematiche relative ai neutrini solari, ed in particolare l'interpretazione dei risultati complessivi ottenuti dai vari esperimenti, hanno impegnato per molti anni un grande numero di fisici teorici sparsi per il mondo. Il contributo dei gruppi INFN è stato fra i più incisivi e chiari, frequentemente presentato nei più importanti congressi ed ora opportunamente citato in associazione ai risultati di KamLAND.

In collaborazione con l' Istituto nazionale di fisica nucleare