In questo paragrafo vorrei parlare di un'incredibile notizia che agitò gli animi degli studiosi a cavallo tra il 2011 e il 2012, quindi 106 anni dopo la formulazione della Teoria della Relatività Ristretta. Questa notizia infatti, se confermata, avrebbe sconvolto tutto quanto noi sappiamo della Fisica moderna: alcune particelle possono andare più veloci della luce!
L'annuncio fu dato al CERN di Ginevra il 23 settembre 2011, nell'ambito della presentazione dei risultati dell'esperimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Esso riguarda uno dei capitoli più scottanti della Fisica Contemporanea: l'oscillazione dei neutrini. I neutrini sono le sfuggenti particelle introdotte da Wolfgang Pauli per conservare l'energia nel corso del decadimento Beta, e ne esistono di tre specie: elettronico, muonico e tauonico. Ora, all'inizio degli anni Settanta del secolo scorso è stato misurato il tasso di neutrini provenienti dal Sole, e si è verificato che esso è solo un terzo di quanto previsto dalla teoria. Dopo che gli scienziati si sono arrovellati inutilmente il capo per anni su questo problema, che sembrava mettere in crisi tutto ciò che noi sappiamo di Fisica delle Particelle, è stata avanzata l'ipotesi che i neutrini possano oscillare, trasformandosi dall'uno all'altro tipo. In questo modo, su 300 neutrini elettronici partiti dal Sole, 100 si trasformeranno in muonici e 100 in tauonici, in modo che io ne vedrò arrivare sulla Terra solo un terzo. Affinché i neutrini possano oscillare, però, c'è bisogno che abbiano una massa a riposo diversa da zero: il limite superiore per l'energia a riposo dei neutrini, che come abbiamo visto dipende dalla massa, è di 2 eV, valore desunto sia da esperimenti in laboratorio che da dati astrofisici.
Il rilevatore di neutrini OPERA all'opera (mi si passi il gioco di parole...)
Dopo che i risultati ottenuti con acceleratori di particelle hanno confermato la probabile sparizione di due terzi dei neutrini, l'esperimento OPERA è stato concepito per dare una risposta definitiva al problema dell'oscillazione neutrinica. In pratica, i grandi acceleratori del CERN di Ginevra producono un fascio di neutrini elettronici, che vengono sparati verso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, ovviamente non attraverso una galleria scavata grazie ai generosi finanziamenti del governo italiano, come disastrosamente credeva l'ex ministro Gelmini, ma attraverso la roccia, confidando sul fatto che i neutrini interagiscono pochissimo con la materia barionica. Il percorso totale del fascio di neutrini era di 730 Km, ed essi scendevano fin quasi a 12 Km di profondità. Sotto il massiccio del Gran Sasso si trovavano grandi rivelatori di neutrini, pronti a misurare se l'oscillazione è avvenuta oppure no.
Come spesso accade, si cerca una cosa e se ne trova un'altra. In una conferenza stampa il team di ricercatori (oltre 170 stranieri da 12 nazioni diverse, guidate dal prof. Antonio Ereditato) annunciò di aver riscontrato un risultato anomalo sul tempo di volo dei neutrini muonici dal CERN al Gran Sasso: a percorrere quei 730 Km, i neutrini avrebbero impiegato un tempo inferiore a quello necessario alla luce nel vuoto, e precisamente inferiore di:
Δt = ( 60,7 ± 14,3 ) nanosecondi
Questo anticipo corrisponde a circa 18 metri sulla distanza Ginevra-Gran Sasso. La conseguenza immediata è che la velocità dei neutrini appare maggiore di 25 parti per milione della velocità della luce nel vuoto!
Naturalmente tutti i giornali e telegiornali sbatterono l'evento in prima pagina, annunciando con toni talora trionfalistici che il vecchio Einstein aveva sbagliato tutto, e che la Fisica Moderna era da riscrivere daccapo (della faccenda si impossessò persino la satira politica). Ma questo risultato è davvero attendibile? L'analisi degli errori sistematici e casuali da cui la misura è affetta sembrava non lasciare spazio a dubbi, e così si è subito messa in moto una gara tra laboratori di tutto il mondo, per verificare in maniera indipendente se davvero i neutrini sono superluminali, contraddicendo tutto ciò che abbiamo affermato nei capitoli precedenti. L'esperimento MINOS negli Stati Uniti, K2K in Giappone e Borexino al Gran Sasso promisero di effettuare test indipendenti entro il 2013, e del resto apparve strano che 170 scienziati ci avessero messo la faccia, consci del fatto che, se la loro megascoperta si fosse in realtà rivelata una megabufala, ne sarebbe andata della reputazione di tutti loro (in seguito si seppe che vari membri dello staff di OPERA ritenevano prematuro ed affrettato l'annuncio della scoperta con così rumorosa grancassa mediatica). E così, vennero subito formulate due possibili ipotesi per spiegare l'anomalo risultato senza sbattere nel cestino tutto il contenuto di questo ipertesto:
1) i neutrini sarebbero tachioni, cioè particelle che possono muoversi solo a velocità superiore a quella della luce, senza mai rallentare al di sotto di essa. Ciò è possibile solo se esse hanno massa a riposo immaginaria (il che vuol dire che NON esistono a riposo). Tale possibile interpretazione salva l'impianto della Relatività Ristretta, ma ha serie difficoltà a spiegare il risultato ottenuto da OPERA: non sarebbe infatti possibile produrre neutrini muonici con l'energia di 17 GeV misurata da OPERA e la massa tachionica richiesta (oltre 100 MeV di energia a riposo) mediante il decadimento di mesoni π al CERN, come in effetti è stato fatto. Inoltre, i neutrini superluminali dovrebbero perdere rapidamente energia emettendo coppie elettrone-positrone, raggiungendo un'energia massima di 12,5 GeV, inferiore a quella effettivamente misurata da OPERA.
2) oppure, i neutrini avrebbero una velocità massima superiore a quella dei fotoni (si sa invece con grande precisione che elettroni e muoni hanno la stessa velocità massima dei fotoni). Questo però comporta l'abbandono dei Postulati di Einstein (§ 2.1) e la comparsa di un sistema di riferimento privilegiato, quello per l'appunto dei neutrini muonici, oppure una modifica della dinamica relativistica con l'aggiunta di termini non lineari, difficilmente compatibili con l'oscillazione dei neutrini e con le stime sulla loro massa.
D'altro canto, altri esperimenti contraddicono i risultati del team di OPERA. In passato erano stati rilevati i tempi di percorrenza di neutrini e luce emessi dalla Supernova 1987a, risultata visibile dalla Terra a partire dal 23 febbraio 1987 nella Grande Nube di Magellano, una galassia satellite della Via Lattea. Essi giunsero sulla Terra dopo un viaggio di 168.000 anni, e non di due millisecondi come nell’esperimento OPERA; se i neutrini avessero avuto la velocità indicata dai ricercatori del Gran Sasso, sarebbero dovuti arrivare sulla Terra ben 4,14 anni prima della luce, ed invece essi raggiunsero la Terra solo tre ore prima della luce, che riesce ad uscire dalla supernova solo molto dopo l’esplosione,
« Non credo che sia già arrivato il tempo di riscrivere i testi di Relatività Riistretta », ha dichiarato in proposito il prof. Luciano Ramello dell'Università del Piemonte Orientale. E probabilmente ha ragione. Infatti, il 22 marzo 2012 il portavoce del Cern James Gillies annunciò che gli scienziati coinvolti nel progetto avevano riscontrato un problema nel sistema Gps usato per misurare il tempo di arrivo dei neutrini nel laboratorio sotterraneo in Abruzzo. In parole povere, il paradossale risultato dei 18 metri su 730 Km che i neutrini avrebbero guadagnato sulla luce sarebbero stati dovuti a una cattiva connessione» fra un cavo a fibre ottiche che collegava un computer con il ricevitore Gps utilizzato per misurare il tempo di percorrenza dei neutrini. Un secondo errore invece sarebbe stato legato all'imperfetta calibrazione dell’orologio di riferimento per calcolare il tempo del viaggio della particella. A scoprire l'anomalia negli strumenti di misura sono stati gli stessi scienziati che il 23 settembre precedente avevano annunciato i risultati sulla velocità dei neutrini.
Che le velocità superluminali dei neutrini sono solo il frutto di un banalissimo errore di calcolo lo hanno confermato i successivi esperimenti. Il 16 marzo 2012 l'esperimento Icarus coordinato dal Premio Nobel Carlo Rubbia ha smentito ulteriormente i dati presentati nel settembre recedente da Opera, dimostrando che i neutrini non sono più veloci della luce. Il 28 marzo dello stesso anno, inoltre, l'esperimento Lvd (Large Volume Detector) coordinato da Antonino Zichichi ha confermato l'errore negli apparati di misura di Opera. Come conseguenza di questi risultati il fisico Antonio Ereditato, coordinatore del progetto Opera che aveva annunciato la scoperta (secondo alcuni fin troppo frettolosamente) si è dimesso il 29 marzo 2012 dopo che alcuni membri del suo staff avevano presentato una mozione in cui ne chiedevano le dimissioni dalla guida della collaborazione. In ogni caso, il vicepresidente dell'INFN Antonio Masiero spiegò che sarebbero state effettuate nuove misure quando il Cern avrebbe inviato nuovi fasci di neutrini versi il Gran Sasso. Se le cose stanno così, inutile dire che i Postulati di Einstein sono salvi, e il vecchio Albert può godersi il meritato riposo eterno, alla faccia di tutti i neutrini elettronici, muonici e tauonici di questo mondo. Anche in questo caso conviene ripetere il vecchio adagio: chi vivrà, vedrà.
Brandon Routh
nei panni di Superman nel film "Superman returns" (2006). Purtroppo il
famoso urlo del
supereroe « Via, più veloce della luce! » è destinato a rimanere per sempre
confinato nei film di fantascienza
E con questo il "grosso" delle formule di questo Modulo può dirsi esaurita, a meno che non abbiate deciso di dedicarvi subito ai complessi calcoli dell'Approfondimento 2. In caso contrario, vi consiglio di "giocare" con il "videogame" che ho integrato in questo corso con il permesso del suo autore, Domenico de Riso: è un perfetto simulatore relativistico (o Macchina del Tempo, se preferite, come lo ha chiamato il suo creatore). Se non ne avete voglia, potete leggere il brano di Paul Davies (lettura 4) dedicata al rapporto tra tempo ed antimateria, o passare direttamente agli esercizi, prima di aver risolto i quali non è consigliabile approdare all'Unità 5. Lì chiuderemo "in bellezza" inoltrandoci nei meandri dello spazio-tempo.