Neutrini superluminali? Andiamoci cauti


  • In un articolo conciso - ma perentorio – apparso online la scorsa settimana (LINK: http://arxiv.org/abs/1109.6562 ), Andrew Cohen e Sheldon Glashow, della Boston University, affermano che, in base ai loro calcoli, qualunque neutrino che superasse la velocità della luce irradierebbe energia, lasciando dietro di sé una scia di particelle più lente, allo stesso modo di ciò che avviene quando un jet supera la barriera del suono.

    I loro risultati mettono quindi in dubbio la correttezza delle misurazioni recentemente annunciate al CERN secondo cui i neutrini viaggerebbero di poco più veloci della radiazione elettromagnetica.
    Di questo, tuttavia, Cohen non pare contento, né sollevato. “Al contrario, sono rattristato e deluso”, sottolinea. Dopo tutto, molti fisici preferirebbero che la scioccante misurazione annunciata dal CERN fosse corretta. Per i fisici sperimentali sarebbe la scoperta del secolo e per i teorici, il punto di partenza per un eccitante periodo di creativo scompiglio. “Sarebbe noioso se la natura si comportasse sempre nel modo previsto”, ha aggiunto Cohen.

    Il risultato annunciato al CERN il 23 settembre era senz'altro imprevisto. Ne hanno parlato un po' tutti, ma lo riassumiamo per dovere di cronaca: un gruppo di ricercatori dell'esperimento OPERA ha annunciato di aver inviato attraverso la crosta terrestre che separa Ginevra dai Laboratori dell'INFN al Gran Sasso un fascio di neutrini, che, secondo le stime, è arrivato a destinazione circa 60 nanosecondi prima del previsto, violando il limite universale alla velocità stabilito dalla teoria della relatività di Albert Einstein.

    Gli esperti invitano alla cautela, specialmente perché un'altra misurazione della velocità del neutrino – condotta nel 1987 grazie alla rilevazione di particelle provenienti da una supernova esplosa nella Nube di Magellano, appena fuori dalla Via Lattea – indica con alta precisione e accuratezza che i neutrini rispettano tale limite.

    I neutrini provenienti dalla supernova, però, erano relativamente deboli; al confronto, quelli provenienti dal CERN hanno un'energia almeno 1000 volte maggiore. E se alcuni neutrini fossero effettivamente superluminali, lasciando quelli meno energetici confinati nel nostro noioso modo relativistico?

    Cohen e Glashow (premio Nobel per la fisica con Abdus Salam e Steven Weinberg nel 1979) hanno considerato precisamente il tipo di neutrini ad alta energia rilevati al Gran Sasso. A partire da principi basilari quali la conservazione dell'energia e della quantità di moto, hanno dedotto che se esistessero effettivamente, le particelle superluminali potrebbero decadere in altre particelle legate a un limite di velocità più basso.
    “Quando tutte le particelle hanno la stessa velocità massima raggiungibile, non è possibile per una di esse perdere energia emettendone un'altra”, spiega Cohen. “Ma se le velocità massimale non è la stessa per tutte le particelle coinvolte, allora questo può succedere”.

    Un effetto di questo tipo è ben noto nel caso in cui gli elettroni hanno un limite superiore di velocità (la velocità della luce) e la luce stessa ne ha uno inferiore. Questo può avvenire perché quando la luce si propaga in mezzo materiale – sia esso acqua, aria o vetro – la sua velocità viene drasticamente ridotta, secondo un fenomeno che è alla base dell'effetto di rifrazione, per il quale un bastone parzialmente immerso nell'acqua appare spezzato in due (la velocità della luce come limite assoluto è, a rigore, la velocità della luce nel vuoto).

    Gli elettroni possono allora muoversi in un mezzo a velocità superiori alla velocità massima dei fotoni nello stesso mezzo, e perdono energia emettendo fotoni. Questo processo, noto come radiazione Cherenkov, è quello che fa sì che le piscine di raffreddamento dei reattori delle centrali nucleari brillino di una tenue luce blu; inoltre, viene utilizzato per rivelare elettroni che investono la Terra dopo che un fascio di raggi cosmici ad alta energia colpiscono la parte superiore dell'atmosfera.

    La possibilità di un trasferimento di energia tra particelle con differenti velocità limite era ben noto, sottolinea Cohen. Ma nel loro articolo, lui e Glashow vanno oltre, discutendo l'esatto meccanismo con cui potrebbe avvenire questa conversione e fornendo le precise stime quantitative dei tassi di decadimento dei neutrini in altre particelle.

    L'emissione di gran lunga più probabile è quella di un elettrone accoppiato alla sua antiparticella, il positrone, concludono gli autori. (Il neutrino ad alta energia creerebbe la coppia interagendo con le “particelle virtuali” che incessantemente si creano e si annichilano nel vuoto – in questo caso il bosone Z, uno dei mediatori della forza nucleare debole).

    Il punto cruciale è che il tasso di produzione di queste coppie elettrone-positrone è tale che un tipico neutrino superluminale emesso al CERN perderebbe la maggior parte della sua energia prima di raggiungere il Gran Sasso. “Il fascio inviato dal CERN verrebbe impoverito in modo significativo di neutrini ad alta energia”, aggiunge Cohen. I neutrini osservati presso il laboratorio italiano, tuttavia, non sembrano affatto aver perso parte della loro energia. O forse non erano affatto superluminali.

    Carlo Rovelli, fisico teorico dell'Università del Mediterraneo a Marsiglia, sostiene che i risultati di Glashow e Cohen sono plausibili, e non sembra essere particolarmente sorpreso. “Sembra che la maggior parte dei fisici, incluso me, sospettino che vi sia qualche errore nelle misurazioni di OPERA”.
    Alcuni fisici hanno ipotizzato che i neutrini potrebbero aver trovato scorciatoie nello spazio-tempo, per esempio, muovendosi in dimensioni extra dello spazio, il che permetterebbe loro di essere più rapide, pur rispettando il limite alla velocità. Questa possibilità non verrebbe esclusa dalla radiazione Cherenkov del neutrino, ma contribuirebbe a porre alcune limitazioni.

     “La faccenda si può vedere nel seguente modo: i fisici che lavorano alla teoria delle stringhe da più di 20 anni hanno postulato l'esistenza di dimensioni extra, ma ancora nessuno ha ancora considerato la possibilità di trovare scorciatoie in altre dimensioni e di viaggiare più veloci della luce”, commenta Rovelli.
    Per ciò che riguarda possibili errori nell'esperimento, Cohen non vuole fare ipotesi: “Non sono la persona giusta per spiegare ciò che può essere successo – dice – è meglio lasciare questo compito ai fisici sperimentali”.

    Einstein era nel giusto, in fin dei conti? La relatività di Einstein soppiantò la fisica di Isaac Newton, e probabilmente un giorno anch'essa verrà soppiantata da qualcos'altro. Ma i fisici continueranno a usarle tutte, nel contesto appropriato. “Tutti i nostri risultati scientifici hanno un certo dominio di validità”, sottolinea Cohen; nessuna teoria è “giusta” o “sbagliata” in senso assoluto, ma ciascuna di esse è in maggiore o minore accordo con gli esperimenti. Nel frattempo, altri non smetteranno di cercare falle nelle teorie di Einstein. “Non smettiamo mai di verificare le nostre idee”, conclude Cohen. “Neanche quelle che consideriamo solide”.
     

    Davide Castelvecchi (pubblicato su Le Scienze - on line il 5 ottobre 2011)


    (Pubblicato in originale su www.scientificamerican.com il 3 ottobre.  Testo di Davide Castelvecchi pubblicato online da Scientific American il 3 ottobre, traduzione di Folco Claudi)

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Data: mercoledì 5 ottobre 2011

Argomento: CulturaVisualizza tutti gli interventi di questo Argomento | Scienza

 

Parole Chiave:neutrini , scienza , velocita , luce ,

 

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