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PREMIO NOBEL PER LA FISICA 2015


The Nobel Prize in Physics 2015 was awarded jointly to Takaaki Kajita and Arthur B. McDonald "for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass".
Il Premio Nobel per la Fisica 2015 è stato assegnato congiuntamente a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald "per la scoperta delle oscillazioni dei neutrini, che dimostra che i neutrini hanno massa".

   
 Takaaki Kajita
Born: 1959, Higashimatsuyama, Japan
Affiliation at the time of the award: University of Tokyo, Kashiwa, Japan
 Arthur B. McDonald
Born: 1943, Sydney, Canada
Affiliation at the time of the award: Queen's University, Kingston, Canada

I neutrini sono fra gli inquilini più strani ed elusivi dell'Universo. Particelle subatomiche che viaggiano nel cosmo e che possono attraversare tutta la Terra come se fosse trasparente, senza interagire con atomi o altre particelle. Gli scienziati vincitori del 109esimo premio Nobel per la fisica, Takaaki Kajita, fisico giapponese, nato nel 1959, e Arthur B. McDonald, canadese, nato nel 1943, sono stati pionieri nello studio sperimentale delle oscillazioni dei neutrini, un fenomeno grazie a cui queste particelle subatomiche cambiano "identità". L'osservazione di queste oscillazioni è stata fondamentale per determinare la massa dei neutrini, un ingrediente molto importante per la comprensione dei mattoni fondamentali della materia.

McDonald, della Queen's University a Kingston, in Canada, è stato raggiunto al telefono alla domanda se ci sia mai stato un momento in cui ha pensato di aver trovato qualcosa di importante, risponde sì, naturalmente. Quello che lui e Takaaki, che invece lavora all'Osservatorio di neutrini SuperKamiokande dell'Università di Tokyo, hanno scoperto apre la strada a una nuova immagine dell'Universo, come ha detto il portavoce del comitato del Nobel durante l'annuncio. È il processo secondo il quale ognuno dei tre tipi di neutrini esistenti cambia identità, assumendo quella di uno degli altri 'membri' della loro famiglia, dimostrando che hanno una massa, anche se piccolissima.
Abbondanti ma sfuggenti.
I neutrini sono ovunque. Il nostro pianeta è costantemente bombardato da un flusso continuo di neutrini, e in ogni istante ciascuno di noi viene attraversato da milioni di queste strane particelle. Ma perchè nessuno di noi sente questo continuo "bombardamento subatomico"? Tutto dipende dal fatto chei neutrini interagiscono pochissimo con la materia. Infatti queste particelle sono soggette solamente alla forza di gravità e all'interazione debole, le due più deboli fra le interazioni fondamentali fra le particelle. Non sono soggette alla forza elettromagnetica, come accade agli elettroni negli atomi, e nemmeno all'interazione forte, la "forza" che tiene insieme neutroni e protoni all'interno dei nuclei atomici.

Cambiamenti di identità.
Il neutrino, postulato negli anni Trenta dal fisico Wolfgang Pauli e successivamente ripreso da Enrico Fermi all'interno della sua teoria dell'interazione debole, ha però dato per anni filo da torcere ai fisici di tutto il mondo. I modelli teorici che descrivevano il funzionamento del Sole prevedevano infatti che all'interno della nostra stella si producesse un flusso costante di neutrini, che sarebbe stato possibile osservare da Terra. Tuttavia le osservazioni condotte sul nostro pianeta mostravano che I neutrini rivelati erano circa un terzo di quanti se ne aspettavano. La spiegazione dei neutrini mancanti poteva essere nella modellizzazione sbagliata del Sole oppure nei neutrini stessi, che cambiavano misteriosamente identità nel loro tragitto verso la Terra. I modelli teorici infatti mostrano che esistono tre famiglie di neutrini: quelli elettronici, muonici e tauonici. Se un tipo di neutrini, ad esempio elettronici, mancava all'appello era forse perchè aveva cambiato famiglia? Questi curiosi "cambiamenti di identità", che I fisici chiamano oscillazioni, sono al centro degli studi di Kaijta e McDonald.
Il cielo visto dalle miniere.
Considerando i risultati di altre osservazioni astronomiche, i modelli teorici del Sole sembravano corretti, e quindi restava l'ipotesi dell'oscillazione neutrinica, che andava però verificata. Takaaki Kaijta e Arthur McDonald hanno giocato un ruolo chiave negli esperimenti che hanno osservato le oscillazioni dei neutrini. Il primo, Direttore dell'Istituto per le ricerche sui raggi cosmici e professore all'Università di Tokyo, è legato all'esperimento SuperKamiokande, mentre il secondo, professore emerito alla Queen's University di Kingston, in Canada, è stato alla guida del gruppo di analisi che ha mostrato le oscillazioni nel Sudbury Neutrino Observatory (SNO). Poiché i neutrini interagiscono molto poco e sono quindi estremamente difficili da rivelare, questi esperimenti sono stati costruiti in profondità, in modo da ridurre tutti i miliardi di segnali spuri provenienti, ad esempio, dalle altre particelle cosmiche e che sono bloccate dagli strati di roccia al di sopra dell'esperimento. SuperKamiokande, attivo dal 1996, è infatti costruito un chilometro in profondità in una miniera di zinco a circa 250 chilometri a nordovest di Tokyo, mentre SNO, che ha iniziato le operazioni nel 1999 si trova in una miniera di nickel nella regione canadese dell'Ontario. A causa della debole interazione dei neutrini con la materia, questi esperimenti devono avere un enorme volume attivo. Ad esempio SuperKamiokande è riempito da 50 mila tonnellate di acqua purissima. Quando un neutrino interagisce con un nucleo atomico di idrogeno o di ossigeno presente nell'acqua, si crea una particella carica, ad esempio un elettrone o un muone, che si allontana dal nucleo atomico. Nel corso di questa piccola "fuga", la particella emette un piccolo flash di luce, detta luce Cherenkov, che è osservata da uno degli 11 mila rivelatori presenti nell'esperimento.

Contando neutrini.
L'obbiettivo principale di SuperKamiokande era osservare i neutrini muonici in arrivo dall'atmosfera. In virtù della loro sfuggevolezza, queste particelle attraversano facilmente la Terra, e quindi gli scienziati possono osservare sia quelli provenienti dall'alto che dal basso. Ma il numero di neutrini provenienti dal basso era inferiore, e ciò fu interpretato da Kaijta e colleghi come l'oscillazione da neutrini muonici in neutrini tauonici. Le osservazioni di SNO, presentate dal gruppo di McDonalds, hanno invece consentito di misurare le oscillazioni dei neutrini elettronici provienti dal Sole in neutrini muonici.

Per approfondimenti

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/

 
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