Il neutrino e i nuovi orizzonti

Da Galileo a Maxwell, ad Einstein

Che cosa vuol dire che il neutrino va più veloce della luce?
La luce si propaga in vari mezzi, nell’aria, nell’acqua. In questo caso invece ci riferiamo a una particolare velocità della luce: quella nel vuoto. Ci sono particelle nell’acqua che corrono più veloci di un fascio di luce, sempre nell’acqua. Mentre nell’esperimento ci si riferisce a una particella, a un oggetto con massa, che può andare a una velocità più veloce della luce nel vuoto. Questo è il fatto importante, da un punto di vista tecnico. Ma la sua domanda penso fosse più profonda.

Qual è il significato di questa misurazione, perché è così importante?
Nell’ambito della teoria della Relatività, la velocità della luce non è una tra le tante possibili velocità, è l’unica ed è assoluta. Assoluta vuol dire che è indipendente dall’osservatore che compie la misura. Mi spiego meglio: se lei sta su un treno e qualcuno punta una torcia verso il treno dal terreno, la velocità della luce che arriva contro di lei non sarà pari alla velocità della luce più quella del treno, ma sarà quella della velocità della luce nel vuoto. Questo è il postulato di base della teoria di Einstein della Relatività e cioè che la velocità della luce deve essere assoluta e indipendente dagli osservatori. Lei mi dirà: Einstein si è svegliato una mattina ed ha deciso questo?

Cos’è, un dogma scientifico? Perché Einstein ha stabilito che proprio la velocità della luce avesse queste caratteristiche?
In realtà, la ragione è profonda. E’ arrivato a questo risultato attraverso un certo travaglio. Era uno dei problemi che si ponevano nei primi anni del Novecento. Alla fine del secolo precedente erano state scritte le equazioni di Maxwell, che descrivono le leggi dell’elettromagnetismo. Allora esisteva la cosiddetta ‘Relatività galileiana’, più correttamente il principio della “Invarianza galileiana”, per il quale un osservatore che non è soggetto ad alcuna forza, e segue un moto rettilineo uniforme e costante, se fa un esperimento deve trovare sempre la stessa legge fisica che trova un altro osservatore in movimento rispetto al primo. In altre parole, se lei fa degli esperimenti stando a terra o su un treno che si muove a velocità costante, troverà sempre le stesse leggi. Dunque, da allora Galilei pensò che le leggi della fisica fossero sempre le stesse, a prescindere dal fatto che gli osservatori si muovano o no. Ma le equazioni di Maxwell avevano dentro la velocità della luce e fino a quel momento si pensava che fosse relativa al moto dell’osservatore che la misurava, dunque si era detto che non rispettava più la relatività galileiana. Einstein è uno strenuo difensore della relatività di Galileo. Non è vero, come si dice, che ha corretto Galileo e Newton. Einstein diceva che non era possibile che le equazioni di Maxwell sull’elettromagnetismo fossero diverse a seconda del moto di chi osserva. Allora postulò che la velocità della luce nel vuoto fosse assoluta, in base alla relatività galileiana applicata all’elettromagnetismo.

Naturalmente dimostrandolo, però, questo. O no?
No. E infatti è proprio per questo che parliamo di assioma. Einstein fa un atto di coraggio. Lui dice: “Credo e difendo la relatività galileiana: nessun osservatore qualunque esperimento faccia può decidere se è fermo o in movimento e dunque anche le leggi dell’elettromagnetismo devono soddisfare questo principio di relatività”. Quindi deduce che la velocità della luce debba essere costante per tutti gli osservatori. Da questo discende che nessuno può viaggiare a una velocità più veloce della luce, perché altrimenti si verrebbe a perdere tale costanza della velocità della luce per tutti gli osservatori.

Però la velocità della luce è indicata con “c” al quadrato.
Attenzione, non ci confondiamo. Nel 1905 Einstein espresse un lavoro in cui correlò l’energia di un oggetto alla sua massa e in quella relazione, la famosa E = mc2 , la velocità della luce indicata dalla lettera “c” compariva al quadrato. Ma questa dipendenza di “c” è valida solo in quella relazione, non in altre. Quello che noi fisici troviamo sconvolgente è che non stiamo discutendo di un dettaglio, di un aspetto particolare, ma del pilastro portante della “Teoria della Relatività”: il postulato fondamentale è che la velocità della luce è assoluta nello spazio.

Dunque si va a scalfire questo pilastro. Allora, riepiloghiamo: il neutrino si muoverebbe, sotto la crosta terrestre, a una velocità superiore a quella della luce, in assenza di accelerazione.
I neutrini sono prodotti al Cern poi sono lasciati liberi, non li acceleriamo. E’ come quando lei lancia il sasso, questo continuerà a muoversi con la stessa velocità impressa all’origine. Allo stesso modo i neutrini, una volta prodotti, si muovono con una velocità costante da Ginevra al Gran Sasso.

Però alcuni, in 16 mila casi, avrebbero superato la velocità della luce, sebbene di 60 nanosecondi.
Non è proprio così. Se questa misurazione venisse confermata, vorrà dire che tutti i neutrini, e non solo alcuni di essi, superano la velocità della luce. Il risultato non potrebbe essere valido solo per alcuni. Non ci possono essere neutrini più veloci della luce e altri meno.

Voi nei vostri acceleratori riuscite ad accelerare le particelle elementari come gli elettroni o i protoni fino a portarle vicino alla velocità della luce. Perché non dovrebbe essere possibile accelerarle un po’ di più e farle arrivare fino alla velocità della luce o addirittura fargliela superare?
Secondo la “Teoria della Relatività “ qualunque oggetto che ha una massa non può superare la velocità della luce. Per quanto sia piccola la massa, assunto che sia diversa da zero, quanto più l’oggetto si avvicina alla velocità della luce tanto più la massa diventa grande. Per la Relatività, se questo oggetto toccasse la velocità della luce la sua massa diverrebbe infinita. Fino a pochi giorni fa ritenevamo che questo fosse impossibile. Siccome abbiamo dimostrato con altri esperimenti che il neutrino ha massa, sebbene molto piccola e comunque diversa da zero, ci vorrebbe un’energia infinita per portare questi neutrini alla velocità della luce e la loro massa diventerebbe infinita. E tutto ciò il principio di Einstein l’ha escluso. Sarebbe impossibile, per un qualsiasi oggetto, con grande o piccola massa che sia, anche solo equiparare la velocità della luce. Questo lo vediamo anche a Ginevra, nell’acceleratore, dove portiamo le particelle a velocità pari a 99,999…. per cento della velocità della luce…. Ma non riusciamo ad equipararla. Tutti ci invitano a farlo: “Fate un piccolo sforzo e portatela al 100%”, ci dicono. Ma non ci riusciamo, perché queste particelle più vanno veloci, anche se hanno inizialmente massa piccola, più necessitano di un’energia sempre più grande. E, ripeto, non ce la facciamo.

Qualcuno dice che il neutrino ha due anime: una interagisce con il nostro mondo, un’altra invece con altre dimensioni.
Innanzitutto, il neutrino interagisce poco con la materia. Pensi che può attraversare tutta la Terra senza avere nessuna interazione, cioè non urta nessun atomo. Passa, come se non si accorgesse che c’è la Terra.

Come un fantasma, diciamo.
Sì, proprio così. Questo è il motivo per il quale possiamo inviare i neutrini dal Cern fino al Gran Sasso, per 732 km, sottoterra, senza che si fermino. Altre particelle entrerebbero in contatto con la materia e si fermerebbero. Invece, i neutrini che hanno solo un tipo di forza, chiamata “debole” e dunque , lo dice il nome stesso, interagiscono molto debolmente con la materia, no: sono come dei “fantasmini”. E sono ancora un mistero per noi. Il neutrino, e pensi che questo lo ha detto per primo il nostro fisico Majorana, può avere anche un secondo tipo di massa, denominata “massa di Majorana”, diversa da tutte le altre masse, in base al meccanismo che la produce. Dopo tanti anni, non lo sappiamo ancora se il neutrino abbia o non abbia questo tipo di massa. Nessun’altra particella può avere questo tipo di massa. Potrebbe essere che questi fenomeni molto particolari, come ad esempio questo della propagazione del neutrino a una velocità maggiore a quella della luce, siano legati alla peculiarità del neutrino come particella. Dunque il neutrino potrebbe avere, come lei diceva, una duplice natura, nel senso che una parte interagisce, sia pure molto debolmente, con la materia. E poi ci potrebbe essere un’altra componente, in particolare quella legata alla “massa di Majorana”, che potrebbe non interagire affatto con la materia ordinaria. Addirittura questa “seconda natura del neutrino” lo potrebbe far comunicare con nuove dimensioni che non sono contenute nelle usuali 3+1 dimensioni dello spazio+tempo. E qui entriamo nel campo di mistero che avvolge ancora il neutrino. Al Gran Sasso ci sono esperimenti che sono dedicati a rispondere proprio alla domanda se il neutrino abbia anche una “massa di Majorana”.

Riepilogo: l’esperimento Opera nel Laboratorio del Gran Sasso, svolto in collaborazione con il Cern di Ginevra, ha rilevato che il neutrino si muove più veloce della luce. Dunque, il postulato di base della Teoria della Relatività di Einstein sarebbe da rivedere, in quanto la massa del neutrino potrebbe non avere le stesse caratteristiche della massa della materia. Sarebbe cioè questa sua particolare massa a permettere al neutrino di superare la velocità della luce, forse aprendogli nuove strade in extra-dimensioni al di là dell’usuale spazio tridimensionale a cui i nostri sensi ci hanno abituato.