Marco Selvi è ricercatore dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, l’Ente di ricerca italiano che si occupa della ricerca in fisica fondamentale, fisica delle particelle, e da un po’ di decenni anche di fisica delle astro-particelle, quindi di tutte quelle particelle che non sono prodotte artificialmente dall’uomo ma che provengono dal cosmo.

A settembre è stato presentato l’esito di un esperimento in base al quale i neutrini viaggerebbero ad una velocità superiore a quella della luce. Possiamo intanto spiegare cosa sono i neutrini?
I neutrini sono una delle particelle che costituiscono la materia entro cui ci muoviamo; sono una particella molto elusiva, nel senso che è quella che ha la minor probabilità di interazione con la materia. È una particella strana perché è stata prima postulata, cioè ideata teoricamente, ed è stata scoperta solo successivamente. È stata postulata negli anni Trenta da un fisico tedesco, Pauli. Erano stati appena scoperti i decadimenti radioattivi dei primi materiali; tali decadimenti facevano una cosa che non dovevano fare, cioè violavano la conservazione dell’energia. Ci sono alcune leggi che i fisici utilizzano per descrivere quello che succede, ed una di queste è che l’energia si deve conservare. In questi fenomeni -il decadimento beta- l’energia, invece, non si conservava. Per non mandare a monte questa legge di conservazione, si ipotizzò allora che nel decadimento ci fosse un’ulteriore particella invisibile responsabile dell’energia che veniva meno. Questa ipotesi si è rivelata corretta, però ci sono voluti vent’anni.
Noi riveliamo le particelle perché perdono una parte di energia, rilasciano un po’ di calore, emettono delle piccole luci. Se queste particelle non interagiscono con la materia, non è possibile rivelarle e il neutrino lo fa molto debolmente. Infatti, tra tutte le forze della natura -la forza gravitazionale che ci tiene legati alla terra e che fa girare la terra attorno al sole, la forza elettromagnetica, l’interazione nucleare forte, che tiene insieme i nuclei, e l’iterazione nucleare debole- il neutrino subisce solo l’interazione debole. Questo è il motivo per cui è difficile intercettarlo.
Il neutrino venne scoperto negli anni Cinquanta presso un reattore nucleare. Un reattore nucleare è una sorgente di neutrini, quindi il flusso era abbondante e questo permise di rivelare la particella. Da allora i neutrini hanno assunto maggior importanza nella fisica, anche grazie alla costruzione di laboratori sotterranei.
Per studiare i neutrini serve infatti un luogo dove tutte le varie sorgenti di possibile rumore siano attenuate.
Sulla superficie terrestre noi siamo continuamente investiti da una pioggia di raggi cosmici, particelle cariche provenienti dalla galassia che, quando arrivano sulla terra interagiscono con i nuclei dell’aria e creano una cascata di particelle.
Se volessimo condurre un esperimento di rivelazione di neutrini in questo contesto, non riusciremmo a vederli perché saremmo sommersi da queste altre particelle. Sarebbe un po’ come cercare di vedere le stelle di giorno: le stelle ci sono ma sono occultate dalla luce del sole.
Per vedere i neutrini bisogna allora andare sotto terra. Attorno ai laboratori del Gran Sasso ci sono almeno mille metri di roccia che scherma buona parte della radiazione dei raggi cosmici. Tra parentesi: anche le rocce presentano una radioattività residua. Infatti poi all’interno dei laboratori ci sono ulteriori schermi di piombo e di altri materiali, anche d’acqua.
I laboratori sono lungo l’autostrada...
È così: tu vai in macchina poi ad un certo punto metti la freccia ed esci a destra! All’epoca si stava costruendo il tunnel autostradale del Gran Sasso, quindi i laboratori furono una piccola opera rispetto al progetto globale. C’è un tunnel di dieci chilometri, a metà del quale ci sono tre sale sperimentali lunghe cento metri. È una specie di "autogrill” dentro la montagna! I laboratori del Gran Sasso sono importanti perché questa schermatura della roccia permette di andare a studiare eventi rari, tra cui appunto i neutrini.
I neutrini sono molto abbondanti in natura e provengono da diverse fonti. Un emettitore molto abbondante di neutrini è il sole; la fusione dei protoni che formano il nucleo di elio libera energia; nella stessa interazione si liberano anche neutrini. Altre sorgenti naturali sono i raggi cosmici che, nella loro catena di interazioni e decadimenti, producono anche neutrini. Poi ci sono delle sorgenti artificiali. La prima sono i reattori: nel processo di fissione nucleare, uno dei sottoprodotti sono i neutrini. Negli ultimi vent’anni, infine, sono stati prodotti fasci di neutrini negli acceleratori di particelle. Di qui è nato il progetto Cngs (Cern Neutrinos to Gran Sasso) che è quello all’interno del quale è stata fatta questa scoperta della velocità del neutrino.
Puoi raccontare l’esperimento?
Al Cern di Ginevra c’è un acceleratore di particelle, in particolare di protoni (i protoni sono i costituenti dei nuclei); facendo collidere questi protoni ad alta energia contro un bersaglio di carbonio, di grafite, si producono diverse particelle secondarie, le quali, decadendo, producono neutrini. Allora, se uno è capace di fare interagire i protoni sulla targhetta, e questo è abbastanza semplice, a quel punto bisogna essere capaci di collezionare queste particelle prodotte dall’interazione con delle lenti magnetiche che le focalizzano in una direzione (quella dei laboratori del Gran Sasso), e poi lasciarle decadere in un lungo tunnel, dove viene fatto il vuoto, in modo da migliorare il decadimento. A quel punto, si producono i neutrini che quindi partono e fanno il loro viaggio.
Avendo una piccola probabilità di interagire con la materia, i neutrini percorrono tranquillamente i circa 700 km che separano Ginevra dal Gran Sasso passando attraverso la crosta terrestre.
La direzione viene data da Ginevra. È stato predisposto una sorta di binario, una pista. I neutrini sono particelle neutre, come dice il nome, non subiscono cioè gli effetti dei campi magnetici, quindi in realtà si sono indirizzati i loro "genitori”, delle particelle che si chiamano mesoni π che, al momento del decadimento, emettono dei neutrini che proseguono nella direzione corretta. Il puntamento di questo fascio di mesoni è molto importante perché, essendo la distanza molto grande, sbagliare anche di un piccolo angolo, comporta fallire clamorosamente il bersaglio.
Ma come sono stati "visti” i neutrini?
Al Gran Sasso ci sono diversi esperimenti capaci di rivelare i neutrini e uno in particolare è stato costruito appositamente per rivelare i neutrini provenienti da Ginevra.
Al Gran Sasso non hanno visto direttamente i neutrini, ne hanno visto un prodotto. È stata fatta un po’ l’operazione inversa: così come a Ginevra si sono prodotti questi mesoni, che decadendo si trasformano in neutrini ed arrivano fino al Gran Sasso; al Gran Sasso i neutrini, interagendo con la roccia, si trasformano in particelle cariche, i muoni, che proseguono in linea retta e attraversano i rivelatori. Trattandosi di particelle cariche sono più facili da "vedere” perché rilasciano energia nei materiali dei rivelatori. È come se la roccia che si trova davanti ai laboratori facesse da bersaglio esteso: i neutrini interagiscono e poi sono i prodotti dell’interazione che arrivano al laboratorio.
Come si è misurata la velocità dei neutrini?
La velocità è lo spazio diviso il tempo e quindi si è misurata la distanza tra il Cern ed il Gran Sasso. Dopodiché a Ginevra un orologio, un cronometro, ha dato lo start all’inizio della produzione dei neutrini e lo stop quando i neutrini sono stati visti nel rivelatore al Gran Sasso.
Ne è risultato che questa velocità è maggiore di quella della luce di sessanta nanosecondi (un nanosecondo è un miliardesimo di secondo). Se venisse confermata, questa misura opererebbe uno sconquasso nell’interpretazione del mondo delle particelle.
Perché ci sarebbe uno sconquasso?
Tutta la fisica che abbiamo studiato nel Novecento viene interpretata con le teorie di Einstein della relatività. Einstein sostiene che la velocità della luce è una velocità limite e quindi nessun corpo materiale, cioè dotato di massa, può raggiungerla (e tanto meno superarla!).
Nella teoria di Einstein in qualche modo massa ed energia sono equivalenti. Una particella massiva a mano a mano che viene accelerata, è come se opponesse sempre più resistenza, e questo processo diverge alla velocità della luce, cioè alla velocità prossima a quella della luce avrebbe una massa praticamente infinita. Quindi le due cose non stanno insieme: i neutrini, che da una decina di anni sappiamo essere massivi, anche se la loro massa è molto piccola, come tutte le particelle massive non possono andare più veloci della luce. Chiaramente nei risultati di questo esperimento ci sono diversi caveat.
I colleghi dell’esperimento Opera, che sono i nostri vicini di casa, hanno presentato una misura molto dettagliata. L’hanno anche pubblicata: un lavoro di trenta pagine molto particolareggiato.
Oggi la prassi è questa: annunciato un risultato, lo si pubblica sul web, in modo che tutte le persone possano accedervi anche se non è un lavoro concluso. Nello stesso momento si sottomette l’esperimento a una rivista scientifica, la quale lo assegna a dei suoi referee, degli arbitri anonimi che vanno a fare tutto il lavoro di controllo.
Questo per dire che i dettagli dell’esperimento sono reperibili su internet, è tutto pubblico assolutamente. È una misura, come potete immaginare, molto tecnica sia dal punto di vista spaziale, sia dal punto di vista temporale.
La differenza di sessanta nanosecondi corrisponde in distanza a venti metri. La distanza tra Ginevra e il Gran Sasso è stata misurata con le tecniche del Gps, quindi attraverso i satelliti. L’ulteriore difficoltà è che uno di questi due punti è sotto terra, sotto mille metri di roccia, per cui lì il satellite non aiuta: si deve prendere la posizione all’esterno e poi cominciare a fare, con tecniche da geometra, tutte le propagazioni fino ad arrivare al punto sotterraneo.
C’è anche da dire che questo è uno dei primi esperimenti che si fanno con una distanza così grande, i primi esperimenti con i neutrini sono stati fatti vicino alla sorgente.
In fisica, ma nella scienza in generale, tutte le volte che c’è una scoperta di questo tipo viene sempre richiesto che ci sia una conferma indipendente.
Aggiungo che da Galileo in poi, giustamente, si dà la priorità agli esperimenti. Quindi, se ci sarà un altro esperimento che conferma i risultati ottenuti, sarà la teoria a essere messa da parte. Questo è il metodo sperimentale: qualunque teoria è valida fino a che non viene confutata da un dato sperimentale che non può essere interpretato correttamente da quella teoria. Ora però siamo ancora in attesa di una conferma perché, come dicevo, le difficoltà tecniche sono notevoli.
Quando si fa un esperimento è importante il risultato che si ottiene, ma è altrettanto importante l’incertezza con cui uno quota il risultato. Qui si dice che c’è una differenza di circa 60 nanosecondi, con un’incertezza di circa 10 nanosecondi. Ecco, anche la precisione della stima dell’errore è importante. Un secondo esperimento servirà infatti anche a stabilire la robustezza dell’esperimento stesso.
Ci sono poi alcune difficoltà nell’interpretazione di questa misura. Una è che se ci fosse un effetto di questo tipo, dovrebbe essere sensibile anche all’energia di questi neutrini, mentre nell’esperimento Opera questo fenomeno non è stato osservato, cioè neutrini di pochi GeV -che è l’unità di misura dell’energia- e neutrini di una decina di GeV hanno sempre la stessa differenza di velocità. Invece alcune teorie che predicono il comportamento di particelle con velocità superiore alla velocità della luce (i cosiddetti tachioni) affermano che la velocità è comunque funzione dell’energia.
C’è un’altra incongruenza. Nel 1987, nella nube di Magellano (una galassia satellite della nostra, una delle più vicine a noi) ci fu l’esplosione di una supernova (una stella molto massiva che alla fine della sua vita produce un nucleo di ferro, che una volta che ha superato una massa critica implode, perché non ha più nessuna forza che lo sostiene, e rimbalza). Nel rimbalzo una supernova produce una luce notevole, tanto da renderla visibile ad occhio nudo anche di giorno. È uno dei fenomeni più spettacolari della volta celeste, ma è molto raro: ne avviene qualcuno al secolo. Ecco, quando si verifica un fenomeno di questo tipo, viene prodotta luce, ma anche neutrini.
Nel 1987 è stata la prima volta che sono stati rivelati neutrini associati a un’esplosione di supernova. Quella notte sono stati visti luce e neutrini a distanza di poche ore. Ma se, con le dovute proporzioni, riportassimo la misura che è stata osservata tra il Cern ed il Gran Sasso, quei neutrini sarebbero dovuti arrivare, non qualche ora, ma quattro anni prima rispetto alla luce.
Puoi raccontare cosa fai tu?
L’esperimento si chiama Lvd (Large Volume Detector). Si tratta di un rivelatore di neutrini da supernova, un grosso condominio riempito di uno scintillatore liquido, una sostanza che, una volta che le particelle la attraversano, converte la loro energia in luce.
Qui il problema è che non si sa quando la supernova esplode. Cioè l’esperimento Cern-Gran Sasso è, fra virgolette, semplice, nel senso che al Cern c’è qualcuno che preme un pulsante, a quel punto parte tutta la macchina che vi ho raccontato e al Gran Sasso, più o meno, si sa quando ci si devono aspettare i neutrini.
Con le supernove naturalmente le cose vanno diversamente, tanto più che se ne attendono tre al secolo. Allora uno costruisce questi esperimenti e poi tiene l’apparecchiatura in funzione giorno e notte a ciclo continuo per anni, nella speranza di vedere questi neutrini.
Sarebbe una scoperta importante perché la prima e unica osservazione di questo tipo è quella della supernova del 1987, quando questo esperimento era già stato progettato ma ancora non aveva cominciato a prendere dati, cosa che è accaduta a partire dal 1992, ma da allora non c’è stata alcuna altra supernova.
Studiare le stelle tramite i neutrini è una cosa importante. Con la luce noi vediamo il guscio esterno, perché la materia è opaca alla luce. I neutrini, invece, proprio per questa loro caratteristica di interagire poco con la materia, ci permettono di andare a vedere quel che succede nel nucleo, sia nel sole, quindi le reazioni di fusione nucleare, sia in questi processi più rari o più eclatanti come le esplosioni di supernove.
L’altro esperimento è sulla materia oscura?
È un altro grande campo di ricerca per il quale i laboratori del Gran Sasso sono peraltro all’avanguardia. La materia oscura è un particolare tipo di materia di cui pensiamo sia riempito l’universo. A partire dagli anni Trenta, ci sono state una serie di osservazioni sperimentali che hanno rivelato che, ad esempio, le galassie esterne ruotano con una velocità maggiore rispetto alla massa stimata. Se uno guarda la galassia vede quanta luce c’è e quindi sa fare una stima di quanta massa ci dovrebbe essere. A quel punto la legge di gravitazione, di Newton insomma, ci permette di calcolare qual è la velocità di rotazione della galassia. Ecco, si è osservato che queste galassie girano molto più velocemente rispetto alla massa che possiamo stimare dalla sola luce che fanno. Questo fa presupporre che ci sia una seconda componente di massa, che noi non vediamo, e che è materia oscura. Noi poi diciamo che è materia oscura "non barionica” per intendere che non è fatta della stessa materia con cui siamo fatti noi e i materiali che conosciamo. Questo è possibile dirlo grazie a degli altri studi più complessi che vanno a guardare la radiazione cosmica di fondo.
Quando c’è stato il Big Bang è stata prodotta della luce, che si è poi raffreddata, e adesso costituisce un fondo di microonde che è possibile studiare. La radiazione cosmica è una specie di eco di quello che è successo all’inizio del tempo. Osservando le piccole variazioni in questa radiazione di fondo, si riesce a stimare anche quali sono state le fluttuazioni della materia all’epoca e si può dedurre che ci sia stata della materia che non si accoppiava con la luce. È questa materia oscura che andiamo cercando.
Oggi si pensa che l’universo sia in gran parte riempito di questa materia, cioè solo il 20% della materia sarebbe fatta di protoni, neutroni, ecc. Il rimanente 80% è costituito di questa materia oscura e non barionica, cioè di caratteristiche non note. Noi siamo immersi in questo fluido di particelle ignote.
Quindi non c’è il vuoto?
No, non c’è il vuoto, però questo lo possiamo dire solo grazie a questi effetti gravitazionali che osserviamo nelle altre galassie. Ecco allora che i rivelatori che si stanno costruendo devono essere capaci di "vedere” le piccole interazioni con la materia oscura che avvengono proprio grazie al fatto che, muovendoci assieme al sole nella galassia, andiamo a colpire questo flusso, questo vento di materia oscura.
Negli ultimi dieci anni questi esperimenti si sono orientati sempre di più verso i liquidi nobili, cioè gas nobili come l’elio. I gas nobili sono abbastanza inerti chimicamente, quindi è difficile che abbiano dei contaminanti. Noi usiamo lo xenon, il parente più pesante dell’elio, quello con cui si fanno i fari delle auto per esempio.
Lo xenon viene raffreddato e portato ad essere liquido; in questo modo si aumenta di molto la sua densità riuscendo così a costruire dei rivelatori molto compatti: un litro di xenon pesa tre kg. Lo xenon poi è uno scintillatore: quando la materia lo attraversa emette una piccola luce. Ne abbiamo realizzato  un "barile” di 100 kg. che monitoriamo continuamente, in modo da andare a vedere le piccole luci che verrebbero prodotte nell’interazione con queste particelle. Contemporaneamente stiamo studiando il suo fratello maggiore che avrà una tonnellata di xenon. E visto che stiamo migliorando il rivelatore, vogliamo migliorare anche la schermatura, per prevediamo di immergere questo barilotto dentro una piscina d’acqua di dieci metri per dieci.
Da tempo si denunciano tagli alla ricerca...
Sì, è così e si sente. Credo di poter dire che nel nostro settore siamo, tutto sommato, in una nicchia fortunata, nel senso che il Gran Sasso è un attrattore di persone e quindi di risorse. Tuttavia, rispetto agli anni precedenti, abbiamo avuto anche noi dei cali nei finanziamenti, non tanto per la costruzione e manutenzione degli apparati -quello viene garantito- ma soprattutto per il personale. Ci sarebbe bisogno di più ricercatori e soprattutto di averli fin da giovani, cioè subito dopo la laurea. Invece negli ultimi anni è successo che i ragazzi si laureavano, facevano il dottorato, facevano magari una borsa post dottorato e poi, non essendo possibile assumerli e quindi farli continuare, andavano a cercare altri impieghi. Così dovevi re-insegnare tutto a persone nuove con grande spreco di tempo e risorse. Se la situazione non si inverte prima o poi questo rappresenterà un problema gravoso.
Quelli del Gran Sasso sono i più grandi laboratori sotterranei del mondo...
Le sale principali sono lunghe un centinaio di metri, larghe venti e alte quindici metri. Sono ortogonali alla autostrada e puntano nella direzione di Ginevra, grossomodo. Ci sono attualmente quattro-cinque grossi esperimenti che hanno sede in queste sale. Poi ci sono forse una decina di piccoli esperimenti (come quello dello xenon) situati in uno dei cunicoli o anche in uno dei corridoi di passaggio da una sala all’altra. L’esperimento sulla supernova, avendo bisogno di molta massa, è uno dei "grandi”.
Complessivamente i laboratori ospitano grossomodo cinquecento scienziati in totale; ogni giorno ci entrano cento-duecento persone. Alcuni sono fissi, per così dire, poi c’è chi, come me, viene da altri Istituti e, a rotazione, si reca al laboratorio per seguire la costruzione del rivelatore, la fase di analisi dei dati, di manutenzione, o di controllo che l’esperimento stia facendo pienamente il suo dovere.
C’è una forte rotazione di scienziati italiani, ma soprattutto stranieri. D’altra parte il laboratorio è il più grande del mondo e quindi vengono studiosi da tutto il mondo, dagli Stati Uniti alla Russia, al Giappone, oltre che naturalmente dall’Europa: Francia, Germania, Svizzera.
Il progetto dei neutrini da supernova è italo-russo, mentre quello sulla materia oscura è una collaborazione internazionale abbastanza ampia, si va anche lì dagli Stati Uniti alla Cina, all’Europa.
Sì, è molto bello, molto stimolante. Ci sono anche degli effetti collaterali, del tipo che, soprattutto con quest’ultima collaborazione, che è così ampia, praticamente c’è sempre qualcuno sveglio, per via del fuso orario, e quindi c’è sempre qualcuno che si aspetta qualcosa da te.
Il Gran Sasso, poi, non è solo il laboratorio più grande, ma anche quello con miglior accessibilità. Vi si accede tranquillamente in auto o con le navette, ma vi può entrare anche un tir: uno dei cunicoli di connessione è fatto a dimensione di tir. Questo è un vantaggio enorme.
Altri laboratori nel mondo sono molto meno accessibili. Io sono stato per esempio in Canada, dove c’è il laboratorio più profondo, e quindi il più schermato. È stato ricavato in una vecchia miniera, quindi ti cali giù con l’ascensore dei minatori, vestito da minatore, poi cammini lungo i cunicoli per un chilometro. Quando arrivi ti fai la doccia (altrimenti rischi che si contamini il rivelatore!), ti vesti con qualcosa di asettico e cominci a lavorare. Questo per le persone. Ma quando si tratta di allestire macchinari è ancora più complicato: bisogna costruire pezzi piccoli, trasportarli giù in condizioni spesso impervie e poi rimontarli: è un po’ come giocare con i Lego. Ecco, poter costruire questi rivelatori arrivando sul posto con elevatori, camion, muletti, ruspe, ecc., è un vantaggio impagabile che infatti gli stranieri apprezzano molto.
Entrambi i progetti sono legati a eventi rari...
Quando si opera con sorgenti naturali, alla fine si va a sondare la natura per quello che è, con i suoi tempi. Per dire, rispetto al rivelatore di neutrini da supernova, noi adesso saremmo anche pronti, ma fino a che non c’è l’esplosione... Ovviamente non è che nel frattempo stiamo solo lì in attesa. C’è tutta una serie di altri studi da compiere, in particolare su quei pochi raggi cosmici che riescono ad arrivare fino alle profondità dei laboratori. In effetti, con la materia oscura c’è un po’ la stessa situazione: queste particelle, interagendo debolmente, attraversano tranquillamente la materia senza essere fermate, tranne per quelle rare interazioni che speriamo di misurare. Quando uno non vede il fenomeno che sta osservando va a mettere un limite, va cioè a stabilire che la probabilità di interazione di queste particelle è più piccola di un certo valore. Aumentando la massa del materiale e il tempo di esposizione si vanno ad esplorare e a escludere delle regioni sempre più ampie di questa probabilità. È da circa un anno che stiamo raccogliendo dati e fino adesso non sono state osservate interazioni. Eh, sì, la fisica degli eventi rari a volte è un po’ frustrante.