NEUTRINI PIÙ VELOCI DELLA LUCE: LE DIFFICOLTÀ INTERPRETATIVE
Ricercatore INFN Sezione di Lecce
Il 23 settembre 2011, nell’affollato Auditorium del CERN di Ginevra, Dario Autiero ha presentato i risultati più recenti della collaborazione scientifica internazionale OPERA. Nella diapositiva n. 53 del suo seminario (disponibile su http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=155620) compare una frase che potrebbe creare una rivoluzione nel mondo della fisica:
"Le misure indicano una velocità dei neutrini superiore a quella della luce"
Più precisamente, i dati sembrano indicare che la velocità dei neutrini sia superiore a quella della luce di circa 7 chilometri al secondo.
Figura 1 L’apparato sperimentale di OPERA (a sinistra) è costituito da un complesso insieme di sensori, cavi elettrici e materiale inerte, e ha dimensioni ragguardevoli: si confronti con le dimensioni della persona raffigurata in basso a sinistra. Tutto l’apparato e’ situato nella Sala C dei Laboratori Sotterranei del Gran Sasso (a destra in figura), cui si accede attraverso il tunnel autostradale del Gran Sasso. Immagini scaricabili dal sito http://www.lngs.infn.it/home_it.htm.
Per capire che cosa siano i neutrini proviamo a dare uno sguardo da vicino all’apparato sperimentale coinvolto in questa sorprendente misura.
OPERA è situato nella Sala C dei Laboratori Sotterranei del gran Sasso, appartenenti all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Ai Laboratori si accede attraverso il tunnel autostradale del Gran Sasso, sull’autostrada A24 che collega Roma con Teramo. Si tratta di un apparato enorme, dal peso di 4.000 tonnellate (figura 1), e funziona sostanzialmente come un’enorme macchina fotografica, permettendo di rilevare le tracce delle particelle elementari (come ad esempio un elettrone) che lo attraversano. Nella figura 2 vediamo alcune di queste tracce, e osserviamo subito qualcosa di molto strano. Le tracce delle particelle partono da un unico punto e sembrano provenire dal nulla! Inoltre, da dove viene l’energia che le particelle hanno acquisito? Nel considerare un processo fisico simile a questo, W. Pauli nel 1931 giunse a ipotizzare che esistesse una particella invisibile, le cui tracce non si possono rivelare, ma che è in grado di produrre il getto di particelle visualizzato in figura, provenendo da sinistra in questo particolare caso. L’unica alternativa, ragionava lui, sarebbe ammettere che la conservazione dell’energia può essere violata in alcuni casi. Le due ipotesi, esistenza di una particella invisibile (che Pauli e Fermi chiamarono neutrino) oppure violazione della conservazione dell’energia, sono entrambe logicamente coerenti. Ma la seconda è meno plausibile della prima. Un’affermazione come “in alcuni casi l’energia si conserva e in altri no” equivale a rinunciare ad avere una chiave interpretativa della realtà. Ad esempio, quest’affermazione è talmente vaga che non può essere confutata. Al contrario, postulare l’esistenza del neutrino, cioè di una particella con precise proprietà di interazione con la materia, permette di fare predizioni per nuovi esperimenti. Nel 1956 Cowan e Reines confermarono l’ipotesi di Pauli ed oggi sappiamo che i neutrini interagiscono con la materia solo tramite le interazioni deboli, che sono appunto le più deboli fra le quattro interazioni fondamentali note. Per questo motivo i neutrini, poiché interagiscono solo sporadicamente con la materia, possono attraversare indisturbati tutta la Terra. Il neutrino che produce il getto di particelle in figura 2 è proprio il primo ad essere stato rivelato da OPERA il 2 ottobre 2007 dopo un viaggio di 732 km da Ginevra al tunnel del Gran Sasso.
OPERA è situato nella Sala C dei Laboratori Sotterranei del gran Sasso, appartenenti all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Ai Laboratori si accede attraverso il tunnel autostradale del Gran Sasso, sull’autostrada A24 che collega Roma con Teramo. Si tratta di un apparato enorme, dal peso di 4.000 tonnellate (figura 1), e funziona sostanzialmente come un’enorme macchina fotografica, permettendo di rilevare le tracce delle particelle elementari (come ad esempio un elettrone) che lo attraversano. Nella figura 2 vediamo alcune di queste tracce, e osserviamo subito qualcosa di molto strano. Le tracce delle particelle partono da un unico punto e sembrano provenire dal nulla! Inoltre, da dove viene l’energia che le particelle hanno acquisito? Nel considerare un processo fisico simile a questo, W. Pauli nel 1931 giunse a ipotizzare che esistesse una particella invisibile, le cui tracce non si possono rivelare, ma che è in grado di produrre il getto di particelle visualizzato in figura, provenendo da sinistra in questo particolare caso. L’unica alternativa, ragionava lui, sarebbe ammettere che la conservazione dell’energia può essere violata in alcuni casi. Le due ipotesi, esistenza di una particella invisibile (che Pauli e Fermi chiamarono neutrino) oppure violazione della conservazione dell’energia, sono entrambe logicamente coerenti. Ma la seconda è meno plausibile della prima. Un’affermazione come “in alcuni casi l’energia si conserva e in altri no” equivale a rinunciare ad avere una chiave interpretativa della realtà. Ad esempio, quest’affermazione è talmente vaga che non può essere confutata. Al contrario, postulare l’esistenza del neutrino, cioè di una particella con precise proprietà di interazione con la materia, permette di fare predizioni per nuovi esperimenti. Nel 1956 Cowan e Reines confermarono l’ipotesi di Pauli ed oggi sappiamo che i neutrini interagiscono con la materia solo tramite le interazioni deboli, che sono appunto le più deboli fra le quattro interazioni fondamentali note. Per questo motivo i neutrini, poiché interagiscono solo sporadicamente con la materia, possono attraversare indisturbati tutta la Terra. Il neutrino che produce il getto di particelle in figura 2 è proprio il primo ad essere stato rivelato da OPERA il 2 ottobre 2007 dopo un viaggio di 732 km da Ginevra al tunnel del Gran Sasso.
Figura 2 - A sinistra (http://cdsweb.cern.ch/record/1065979): Un getto di particelle che viaggiano da sinistra verso destra viene generato e rivelato all’interno dell’esperimento OPERA. Tale evento, il primo osservato da OPERA, viene interpretato come l’interazione con la materia di un neutrino proveniente dal CERN, a circa 730 chilometri di distanza. A destra (http://operaweb.lngs.infn.it/spip.php?rubrique41): l’esperimento CNGS, che sta per “CERN Neutrino Beam to Gran Sasso”, nel quale un fascio di neutrini (Neutrino Beam) originati al CERN di Ginevra, viene puntato verso l’esperimento OPERA al Gran Sasso.
La misura della velocità dei neutrini nell’esperimento CNGS (CERN Neutrino Beam to Gran Sasso) è concettualmente piuttosto semplice: si misura la distanza, si misura il tempo intercorso fra produzione del neutrino al CERN e sua rilevazione a OPERA, si fa il rapporto fra distanza e tempo ottenendo la velocità. Operativamente però la misura è notevolmente complessa, e coinvolge un grande numero di apparati fra i quali il GPS che usiamo abitualmente, qui utilizzato per sincronizzare due orologi molto distanti e per misurare con precisione impressionante le distanze. Sono un fisico teorico e non un fisico sperimentale, quindi non sono in grado di valutare l’attendibilità tecnica del risultato; preferisco invece chiarire il fatto che la conclusione che i neutrini siano più veloci della luce è problematica dal punto di vista dell’interpretazione e della compatibilità con altri esperimenti.
In effetti ci si scontra immediatamente con un fatto: sappiamo già che i neutrini viaggiano alla velocità della luce. Il 23 Febbraio 1987 diversi osservatori astronomici sulla Terra registrarono segnali dell’esplosione di una Supernova in una Galassia denominata “Grande Nube di Magellano”, ad una distanza circa 168.000 anni-luce dalla Terra (un anno-luce è la distanza percorsa dalla luce in un anno, e corrisponde a circa diecimila miliardi di chilometri). Il punto cruciale per quello che interessa qui è che i neutrini e la luce (fotoni) creati in quell’evento, a meno di piccole differenze temporali dovute al momento di emissione, arrivarono contemporaneamente sulla Terra. Questo significa che i neutrini e la luce hanno viaggiato alla stessa velocità. Se invece i neutrini provenienti da SN1987A avessero viaggiato alla velocità dei neutrini del Gran Sasso sarebbero arrivati circa quattro anni prima. E’ possibile riconciliare questo fatto con la conclusione di OPERA che i neutrini sono, invece, più veloci della luce? E’ possibile, anche se non facile. Si può ad esempio osservare che i neutrini generati dalla Supernova sono molto meno energetici di quelli del fascio del CERN. La velocità dei neutrini potrebbe dipendere dalla loro energia ed essere vicina alla velocità della luce per le energie tipiche di emissione da Supernova, ma significativamente superiore per i neutrini di OPERA. Una tale dipendenza contrasta con quanto previsto dalla teoria della relatività di Einstein, che potrebbe dunque non essere valida per i neutrini.
Figura 3: Immagini della Galassia nominata “Grande nube di Magellano” prima (sinistra) e dopo (destra) l’esplosione della SuperNova 1987A, segnalata dalla freccia in figura. I neutrini e i fotoni provenienti dalla supernova sono stati rilevati lo stesso giorno: il 23 febbraio 1987. Sappiamo quindi che i neutrini hanno viaggiato alla velocità della luce. Se invece i neutrini provenienti da SN1987A avessero viaggiato alla velocità dei neutrini del Gran Sasso sarebbero arrivati circa quattro anni prima.
Gli scienziati non prendono questa eventualità a cuor leggero, dato che la teoria della relatività è uno dei pilastri su i quali fondiamo i modelli interpretativi della realtà. Però questa possibilità non è esclusa, e quindi proviamo a procedere su questa linea. A questo punto sorge la domanda seguente.
L’ipotesi che la teoria della relatività sia violata e che la velocità dei neutrini cambi con l’energia in modo compatibile sia con i dati di OPERA che con quelli di SN1987A implica contraddizioni con altri fatti sperimentali noti?
Nel tentativo di risposta a questa domanda risiedono le vere difficoltà interpretative del risultato sperimentale. Fra i vari articoli con i quali i fisici del settore hanno provato a rispondere a questa domanda, ne segnalo due che ritengo particolarmente interessanti. Nel primo, di F. Giudice, S. Sibiryakov e A. Strumia (http://arxiv.org/abs/arXiv:1109.5682), si sfrutta il fatto che le interazioni deboli mettono in comunicazione il neutrino con un signore molto noto: l’elettrone. Gli autori fanno notare che l’anomalia misurata nella velocità del neutrino altererebbe anche le proprietà dell’elettrone in una misura incompatibile con i risultati noti e stabiliti di numerosi esperimenti. Nel secondo articolo, autori A. G. Cohen e S. L. Glashow (http://arxiv.org/abs/arXiv:1109.6562), si fa uso di un’analogia con l’effetto Čerenkov, che crea una caratteristica luce azzurra osservata tipicamente nei reattori nucleari. Questa luce è creata da una particella, ad esempio un elettrone, che viaggia in un mezzo a velocità superiore a quella della luce nel mezzo stesso, perdendo energia per irraggiamento. L’effetto Čerenkov è legato alle interazioni elettromagnetiche dell’elettrone con il fotone; se i neutrini viaggiassero più veloce della luce dovrebbero perdere energia per un effetto simile, legato questa volta alle interazioni deboli. Gli stessi dati di OPERA ci dicono che questa perdita di energia non avviene: i risultati di OPERA, secondo Cohen e Glashow, sono quindi contraddittori.
Ci si potrebbe chiedere se i due articoli citati, e altri che seguono la stessa linea di pensiero, dimostrino che i neutrini non possono viaggiare più veloci della luce. Non è così, anzi un’affermazione del genere non si può dimostrare. In primo luogo, i due articoli raggiungono conclusioni quantitative. Se l’anomalia della velocità dei neutrini fosse molto più piccola di 7 km/s, non si evidenzierebbe alcuna contraddizione. In secondo luogo, una singola osservazione può sempre essere spiegata in diversi modi. Però mi pare che le possibili spiegazioni alternative che sono finora venute in mente ai fisici assomiglino molto alla soluzione scartata da Dirac nel 1931: sono poco plausibili. Ad esempio, è possibile ipotizzare che l’energia non si conserva e/o che gli eventi registrati al CERN e quelli registrati da OPERA non hanno alcun nesso causale. Ma questo tipo di spiegazione è sterile, cioè non conduce ad alcuna predizione nuova e si esaurisce in se stessa, essendo appunto, creata ad hoc. Noi come scienziati dobbiamo preoccuparci di fornire un quadro descrittivo unitario della realtà. E, come ho segnalato, qui nascono le difficoltà: non è possibile alterare una parte del quadro senza modificarne un’altra parte, a causa dell’insieme di vincoli, fatti e ragionamenti logici che formano il quadro stesso. E’ necessario, invece, cercare un nuovo quadro interpretativo complessivo, e occorre crearne uno nuovo senza incorrere in contraddizioni.
La situazione riguardante la misura della velocità dei neutrini è in divenire, e diverse opinioni convivono nella comunità scientifica. Un chiarimento arriverà probabilmente da diversi esperimenti in corso o in progetto negli Stati Uniti (MINOS, NOvA) e in Giappone (T2K). Per i motivi che ho descritto in questo articolo, mi pare poco probabile che i dati di OPERA si possano interpretare come il fatto che i neutrini superino la velocità della luce. Nonostante questo, ciò che ritengo improbabile potrebbe avvenire, così com’è avvenuto molte volte nella storia della Scienza. Se i risultati di OPERA fossero confermati da un esperimento indipendente e si rendesse necessaria una radicale modifica del nostro quadro interpretativo, vorrebbe dire che mi sono sbagliato: in tal caso, sarei il primo a rallegrarmene.
La misura della velocità dei neutrini nell’esperimento CNGS (CERN Neutrino Beam to Gran Sasso) è concettualmente piuttosto semplice: si misura la distanza, si misura il tempo intercorso fra produzione del neutrino al CERN e sua rilevazione a OPERA, si fa il rapporto fra distanza e tempo ottenendo la velocità. Operativamente però la misura è notevolmente complessa, e coinvolge un grande numero di apparati fra i quali il GPS che usiamo abitualmente, qui utilizzato per sincronizzare due orologi molto distanti e per misurare con precisione impressionante le distanze. Sono un fisico teorico e non un fisico sperimentale, quindi non sono in grado di valutare l’attendibilità tecnica del risultato; preferisco invece chiarire il fatto che la conclusione che i neutrini siano più veloci della luce è problematica dal punto di vista dell’interpretazione e della compatibilità con altri esperimenti.
In effetti ci si scontra immediatamente con un fatto: sappiamo già che i neutrini viaggiano alla velocità della luce. Il 23 Febbraio 1987 diversi osservatori astronomici sulla Terra registrarono segnali dell’esplosione di una Supernova in una Galassia denominata “Grande Nube di Magellano”, ad una distanza circa 168.000 anni-luce dalla Terra (un anno-luce è la distanza percorsa dalla luce in un anno, e corrisponde a circa diecimila miliardi di chilometri). Il punto cruciale per quello che interessa qui è che i neutrini e la luce (fotoni) creati in quell’evento, a meno di piccole differenze temporali dovute al momento di emissione, arrivarono contemporaneamente sulla Terra. Questo significa che i neutrini e la luce hanno viaggiato alla stessa velocità. Se invece i neutrini provenienti da SN1987A avessero viaggiato alla velocità dei neutrini del Gran Sasso sarebbero arrivati circa quattro anni prima. E’ possibile riconciliare questo fatto con la conclusione di OPERA che i neutrini sono, invece, più veloci della luce? E’ possibile, anche se non facile. Si può ad esempio osservare che i neutrini generati dalla Supernova sono molto meno energetici di quelli del fascio del CERN. La velocità dei neutrini potrebbe dipendere dalla loro energia ed essere vicina alla velocità della luce per le energie tipiche di emissione da Supernova, ma significativamente superiore per i neutrini di OPERA. Una tale dipendenza contrasta con quanto previsto dalla teoria della relatività di Einstein, che potrebbe dunque non essere valida per i neutrini.
Figura 3: Immagini della Galassia nominata “Grande nube di Magellano” prima (sinistra) e dopo (destra) l’esplosione della SuperNova 1987A, segnalata dalla freccia in figura. I neutrini e i fotoni provenienti dalla supernova sono stati rilevati lo stesso giorno: il 23 febbraio 1987. Sappiamo quindi che i neutrini hanno viaggiato alla velocità della luce. Se invece i neutrini provenienti da SN1987A avessero viaggiato alla velocità dei neutrini del Gran Sasso sarebbero arrivati circa quattro anni prima.
Gli scienziati non prendono questa eventualità a cuor leggero, dato che la teoria della relatività è uno dei pilastri su i quali fondiamo i modelli interpretativi della realtà. Però questa possibilità non è esclusa, e quindi proviamo a procedere su questa linea. A questo punto sorge la domanda seguente.
L’ipotesi che la teoria della relatività sia violata e che la velocità dei neutrini cambi con l’energia in modo compatibile sia con i dati di OPERA che con quelli di SN1987A implica contraddizioni con altri fatti sperimentali noti?
Nel tentativo di risposta a questa domanda risiedono le vere difficoltà interpretative del risultato sperimentale. Fra i vari articoli con i quali i fisici del settore hanno provato a rispondere a questa domanda, ne segnalo due che ritengo particolarmente interessanti. Nel primo, di F. Giudice, S. Sibiryakov e A. Strumia (http://arxiv.org/abs/arXiv:1109.5682), si sfrutta il fatto che le interazioni deboli mettono in comunicazione il neutrino con un signore molto noto: l’elettrone. Gli autori fanno notare che l’anomalia misurata nella velocità del neutrino altererebbe anche le proprietà dell’elettrone in una misura incompatibile con i risultati noti e stabiliti di numerosi esperimenti. Nel secondo articolo, autori A. G. Cohen e S. L. Glashow (http://arxiv.org/abs/arXiv:1109.6562), si fa uso di un’analogia con l’effetto Čerenkov, che crea una caratteristica luce azzurra osservata tipicamente nei reattori nucleari. Questa luce è creata da una particella, ad esempio un elettrone, che viaggia in un mezzo a velocità superiore a quella della luce nel mezzo stesso, perdendo energia per irraggiamento. L’effetto Čerenkov è legato alle interazioni elettromagnetiche dell’elettrone con il fotone; se i neutrini viaggiassero più veloce della luce dovrebbero perdere energia per un effetto simile, legato questa volta alle interazioni deboli. Gli stessi dati di OPERA ci dicono che questa perdita di energia non avviene: i risultati di OPERA, secondo Cohen e Glashow, sono quindi contraddittori.
Ci si potrebbe chiedere se i due articoli citati, e altri che seguono la stessa linea di pensiero, dimostrino che i neutrini non possono viaggiare più veloci della luce. Non è così, anzi un’affermazione del genere non si può dimostrare. In primo luogo, i due articoli raggiungono conclusioni quantitative. Se l’anomalia della velocità dei neutrini fosse molto più piccola di 7 km/s, non si evidenzierebbe alcuna contraddizione. In secondo luogo, una singola osservazione può sempre essere spiegata in diversi modi. Però mi pare che le possibili spiegazioni alternative che sono finora venute in mente ai fisici assomiglino molto alla soluzione scartata da Dirac nel 1931: sono poco plausibili. Ad esempio, è possibile ipotizzare che l’energia non si conserva e/o che gli eventi registrati al CERN e quelli registrati da OPERA non hanno alcun nesso causale. Ma questo tipo di spiegazione è sterile, cioè non conduce ad alcuna predizione nuova e si esaurisce in se stessa, essendo appunto, creata ad hoc. Noi come scienziati dobbiamo preoccuparci di fornire un quadro descrittivo unitario della realtà. E, come ho segnalato, qui nascono le difficoltà: non è possibile alterare una parte del quadro senza modificarne un’altra parte, a causa dell’insieme di vincoli, fatti e ragionamenti logici che formano il quadro stesso. E’ necessario, invece, cercare un nuovo quadro interpretativo complessivo, e occorre crearne uno nuovo senza incorrere in contraddizioni.
La situazione riguardante la misura della velocità dei neutrini è in divenire, e diverse opinioni convivono nella comunità scientifica. Un chiarimento arriverà probabilmente da diversi esperimenti in corso o in progetto negli Stati Uniti (MINOS, NOvA) e in Giappone (T2K). Per i motivi che ho descritto in questo articolo, mi pare poco probabile che i dati di OPERA si possano interpretare come il fatto che i neutrini superino la velocità della luce. Nonostante questo, ciò che ritengo improbabile potrebbe avvenire, così com’è avvenuto molte volte nella storia della Scienza. Se i risultati di OPERA fossero confermati da un esperimento indipendente e si rendesse necessaria una radicale modifica del nostro quadro interpretativo, vorrebbe dire che mi sono sbagliato: in tal caso, sarei il primo a rallegrarmene.
Ricercatore INFN Sezione di Lecce
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