Una ricostruzione al computer dell’azione di un neutrino. Crediti: T2K
Che sapore ha un quark? Nella fisica particellare, questa domanda ha perfettamente senso. Siamo nel mondo dell’infinitamente piccolo: impossibile chiamare gli elementi ultimi della materia per nome, o anche solo trovare caratteristiche per distinguerli gli uni dagli altri. E così è entrata in gioco una nuova proprietà, detta appunto sapore: si tratta di un insieme di numeri quantici che distingue i due blocchi principali che costituiscono la materia, i quark e i leptoni.
Ciascuna di queste due categorie contiene diversi sapori. Sui quark i fisici sono abbastanza d’accordo: i 6 sapori individuati sono up, down, charm, strange, top e bottom, e corrispondono ciascuno a un quark con carica diversa. I problemi arrivano con i leptoni. Fino alla fine degli anni ’90 il modello condiviso prevedeva una suddivisione dei leptoni in elettroni, muoni, tauoni e neutrini; a loro volta, i neutrini potevano avere tre sapori, a seconda dei quali diventavano neutrini elettronici, neutrini muonici e neutrini tauonici. Ma con il nuovo millennio è arrivata anche una nuova ipotesi, che ha lasciato i fisici sconcertati: secondo questa teoria esisterebbe un ulteriore sapore nel gruppo dei leptoni, corrispondente a un quarto tipo di neutrino. Un esperimento svolto nel 2001 rivelò che l’acceleratore di particelle del Los Alamos National Laboratory aveva osservato questo nuovo elemento della materia, chiamato neutrino sterile, perché a differenza degli altri tre non aveva praticamente interazioni con le altre particelle.
Perché il quarto neutrino gettò così tanto scompiglio? Per una ragione molto semplice: teoricamente, non poteva esistere. Una particella con interazione nulla infatti non rientrava in nessuna descrizione del mondo fisico, né poteva essere spiegata dai modelli teorici esistenti.
Per questo nel decennio successivo molti fisici hanno scelto di respingere la teoria del nuovo sapore della materia, tanto più che i neutrini sterili erano difficilissimi da osservare e la loro esistenza non aveva ricevuto conferme sperimentali sufficienti.
Ma all’inizio di quest’anno il quarto neutrino è rientrato prepotentemente in scena: niente meno che dallo spazio. Un gruppo di ricerca delle Università di Nottingham e Manchester ha osservato un ammasso di galassie e ha confrontato i dati con le misure della radiazione cosmica di fondo (CMB, da cosmic microwave background), ovvero la radiazione elettromagnetica residua prodotta dal Big Bang che ancora si riscontra nell’Universo. Sorprendentemente, c’era un divario tra le misure, per così dire un elemento mancante.
“Abbiamo confrontato l’Universo più vecchio con quello più giovane, e costruito un modello coerente con entrambi” ha detto Richard Battye dell’Università di Manchester e co-autore dello studio pubblicato il 7 febbraio su Physical Review Letters. “Ma se ci basiamo sui dati del CMB, allora il numero di ammassi di galassie è di un fattore 2 più basso rispetto a quanto ci si aspetterebbe”.
È a questo punto che i ricercatori hanno pensato di reintrodurre nel loro modello il controverso quarto neutrino. Infatti la discrepanza si potrebbe spiegare ipotizzando che i neutrini abbiano a un certo punto ostacolato il processo di formazione delle galassie; ma questo è possibile solo se si attribuisce ai neutrini una massa sufficiente. Ipotesi anch’essa controversa, dal momento che all’inizio si pensava addirittura che i neutrini fossero senza massa. Oggi si sa che non è così, e questa ricerca è un’ulteriore conferma. In base alla ricostruzione di Battye, quando l’Universo era caldo e denso (quindi poco dopo la sua formazione), i neutrini si muovevano alla velocità della luce. Ma con il raffreddamento dell’Universo anche i neutrini hanno cominciato a rallentare, raggruppandosi infine insieme al resto della materia.
“Il numero di ammassi di galassie che vediamo nell’Universo è una funzione della massa dei neutrini, che hanno influenzato la densità complessiva della materia riducendo leggermente il processo di formazione degli ammassi” ha concluso Battye.
Questo è possibile perché i neutrini possono passare da un sapore all’altro; tutti, tranne i neutrini sterili, che con la loro capacità di interazione praticamente nulla non possono agire sulla materia. Eppure, proprio come gli altri neutrini, sono dotati di massa: quindi anche loro hanno avuto probabilmente un ruolo nella riduzione degli ammassi di galassie osservata oggi dagli astrofisici.
Non resta quindi che trovare ulteriori conferme sperimentali dell’effettiva esistenza del quarto neutrino, l’intruso della materia. Sulla Terra oltre che nello spazio.