Sappiamo che la straordinaria varietà di forme con cui la natura si manifesta sulla Terra o nelle più lontane galassie dell’universo può essere ricondotta a dodici “mattoni elementari” che interagiscono tramite quattro forze fondamentali; tra queste particelle troviamo i tre neutrini di “sapori” diversi.

La parola neutrino, coniata da Enrico Fermi nel formulare la teoria che ne descrive le interazioni, è identica in tutte le lingue del mondo; per questo e per i grandi contributi apportati dai fisici italiani in questo campo, possiamo in un certo senso affermare che il neutrino “parla italiano”.

Nell’universo, o almeno in quello fatto di materia luminosa, i neutrini, insieme ai fotoni, sono le particelle più numerose, all’incirca un miliardo di volte di più dei protoni e dei neutroni di tutte le stelle dell’universo. Sono apparsi nell'universo ben prima della luce, ad appena un decimillesimo di secondo dal Big Bang, e ancora oggi, dopo quasi quattordici miliardi di anni, formano un fondo cosmico di energia estremamente bassa, al pari della radiazione primordiale di fotoni (CMB). Al momento purtroppo non siamo in grado di misurare questi neutrini fossili che ci potrebbero fornire informazioni preziose sui primissimi istanti dell’universo.

Sono stati invece rivelati tra i ghiacci del polo sud neutrini di energia elevatissima, fino a milioni di volte l’energia corrispondente alla massa del protone, prodotti da eventi cosmici d’inaudita violenza in cui sono coinvolte enormi masse, e in grado di generare anche raggi gamma e raggi cosmici di enorme energia o eventualmente onde gravitazionali. La simultanea osservazione con particelle differenti di alcuni di questi eventi estremi ha di recente segnato la nascita dell’astrofica multimessaggera.

Altre sorgenti naturali di neutrino sono le stelle nel loro normale funzionamento, o quando si spengono per esaurimento del combustibile nucleare dando luogo al fenomeno delle supernovae. Sono anche emessi nei processi radioattivi naturali e in particolare nel decadimento degli isotopi di uranio, torio e potassio, presenti nel mantello e nella crosta terrestre. Infine possono anche essere prodotti artificialmente nei reattori nucleari a fissione usati per la produzione di energia, e da acceleratori di particelle.

Privi di carica elettrica, di massa piccolissima, elusivi come fantasmi, interagiscono con la materia con cui vengono a contatto solo attraverso la forza debole; sono quindi in grado di attraversare indenni la terra, lo spazio, arrivando sino a noi dagli angoli più remoti e nascosti dell’universo. Sono stati pertanto definiti “la cosa più vicina al niente che esista” e ancora oggi sono le meno capite nel microcosmo delle particelle elementari.

Nonostante i grandi progressi degli ultimi decenni molto, infatti, rimane ancora da scoprire su di essi. L’origine, i valori e la scala delle masse dei neutrini conosciuti sono ancora oggi oggetto di domande cui non sappiamo rispondere e quindi di ricerche in corso o già programmate.

Sappiamo ormai con certezza che i neutrini oscillano, cambiano la loro identità viaggiando nello spazio e nel tempo, si trasformano oscillando da un sapore a un altro. Tale fenomeno è la dimostrazione che i neutrini possiedono una massa e tra loro diverse, ma nulla ci dice su come le tre differenti masse siano ordinate e quali i loro valori assoluti di cui conosciamo al momento complessivamente solo dei limiti superiori.

I fisici hanno festeggiato nel 2012 la scoperta del bosone di Higgs che dovrebbe spiegare il meccanismo per cui tutte le particelle acquistano massa. Ci sono tuttavia fortissimi dubbi che questo si applichi anche ai neutrini, per i quali il Modello Standard non prevede siano necessariamente massivi. Inoltre rimane un mistero il perché i neutrini siano così leggeri, ben undici ordini di grandezza meno pesanti rispetto al top quark.

L’ordine o gerarchia delle tre masse è una questione ancora aperta di grande rilevanza; lo studio dei neutrini che escono dal sole e della loro interazione collettiva con gli elettroni nella materia, ci ha consentito di conoscere l’ordine di una delle coppie di neutrini di massa definita ma il quadro complessivo non è ancora noto e ci sono due possibili soluzioni note come gerarchia diretta o inversa delle masse dei neutrini. Per capire quale sia quella corretta, si possono usare vari metodi.

Il primo consiste nello sfruttare ancora “l’effetto materia” prodotto sui neutrini dal passaggio attraverso la Terra utilizzando come sorgente o i neutrini prodotti dai raggi cosmici nell’atmosfera o fasci artificiali di neutrini e antineutrini di tipo muonico prodotti da acceleratori di particelle. I neutrini atmosferici saranno utilizzati da un esperimento INO approvato in India e dall’esperimento PINGU che sarà una filiazione di IceCube in funzione al polo sud, così come ORCA lo sarà per il progetto Km3Net programmato nel Mediterraneo.

L’esperimento Nona in funzione negli Stati Uniti già utilizza invece fasci artificiali di neutrini/antineutrini. Sempre negli Stati Uniti si parla di un mega progetto DUNE (Deep underground Neutrino Experiment) a Sanford in South Dakota, dove arriverà dopo un viaggio di 1300 Km, un nuovo e più potente fascio di neutrini (o antineutrini) muonici prodotti dal complesso di acceleratori del FermiLab vicino a Chicago. Si tratta di un progetto molto ambizioso cui partecipano anche gruppi europei con il supporto del CERN. DUNE si propone di realizzare nel laboratorio SURF (Sanford Underground Research Facility) dei rivelatori TPC (Time projection Chamber) di argon liquido per complessive 40000 tonnellate.

Questa innovativa tecnica è già stata sperimentata con successo su scale di massa inferiori (circa 700 tonnellate) dall’esperimento ICARUS al Laboratorio del Gran Sasso, che ha misurato il fascio di neutrini prodotti al CERN di Ginevra e indirizzati verso l’Abruzzo. DUNE promette di essere anche uno dei migliori esperimenti di nuova generazione in grado di misurare l’eventuale violazione di carica-parità (CP) nel settore leptonico.

In fisica le simmetrie, che esprimono l’invarianza di un sistema fisico rispetto a una trasformazione, rappresentano una proprietà della formulazione matematica delle forze fondamentali che si esercitano tra le particelle elementari. La simmetria CP è l’applicazione contemporanea della simmetria di carica C, cioè dello scambio particella-antiparticella, e della simmetria spaziale P (Parità) consistente nell’inversione delle coordinate spaziali.

Il problema ancora aperto è capire con sicurezza se i neutrini, come i quark, violano questa simmetria e se l’entità della violazione sia sufficiente a fornirci la spiegazione della prevalenza della materia sull’antimateria nei primissimi istanti dell’universo dopo il BigBang. Per quel che sappiamo oggi, infatti, non ci sono nell’universo galassie o altri corpi celesti isolati composti di antimateria, viceversa, all’inizio di tutto, materia e antimateria dovevano necessariamente essere state prodotte in quantità perfettamente uguali.

In Giappone T2K ha già pubblicato dati consistenti con l’ipotesi della violazione di CP nelle interazioni di neutrino. Nell'esperimento un potente fascio di neutrini (o anti-neutrini) muonici prodotti nel complesso di acceleratori (JPARC) è inviato in direzione del gigantesco rivelatore a luce Cerenkov Super-Kamiokande da 50000 tonnellate d’acqua, situato a Kamioka, a 295 kilometri di distanza. Durante questo tragitto i neutrini (o gli antineutrini) muonici possono “oscillare”, trasformandosi in neutrini (o antineutrini) di tipo elettronico. T2K ha già misurato che gli anti-neutrini muonici che oscillano in antineutrini elettronici sono in numero inferiore rispetto a quello dei neutrini muonici oscillanti in neutrini elettronici. Benché non si possa ancora parlare di “scoperta” e occorra attendere gli esperimenti di nuova generazione per una conferma definitiva, i risultati hanno già destato grande interesse. In Giappone è poi già programmato il nuovo progetto Hyper-Kamiokande, un gigantesco rivelatore a luce Cerenkov (da 500000 a 1000000 di tonnellate di acqua), di cui forse una metà potrebbe essere installato in Corea a 1100 km di distanza, allo scopo di migliorare la sensibilità nella misura della violazione di CP.

Tra gli esperimenti di nuova generazione già approvati e aventi come scopo la misura della gerarchia di massa, ne troviamo poi alcuni che utilizzano come sorgente i fasci di antineutrini prodotti dalle centrali nucleari a fissione per la produzione di energia industriale. In questo caso la tecnica utilizzata consiste nel misurare in un rivelatore di grandi dimensioni posto a opportuna distanza dalle centrali, la “scomparsa” degli antineutrini elettronici, sfruttando un effetto d’interferenza tra le oscillazioni nei tre sapori.

Questo è il caso dell’esperimento JUNO già finanziato e al momento in costruzione, che sarà operativo entro il 2021 in un nuovo laboratorio sotterraneo che si sta scavando nel sud della Cina a 43 Km dalla città di Kaiping nella provincia di Guangdong. L’apparato sperimentale consiste in una sfera trasparente di 40 metri di diametro, contenente 20000 tonnellate di scintillatore liquido, immerso in una vasca di acqua molto pura agente come schermo attivo contro i raggi cosmici residui.  JUNO non è un esperimento esclusivamente cinese, ma una collaborazione con gruppi di ricerca europei e russi, compresa l’Italia. La partecipazione degli scienziati cinesi rimane comunque largamente maggioritaria sia in termini numerici sia finanziari. Su un costo complessivo di realizzazione di circa 230 milioni di euro, il finanziamento cinese copre, infatti, il 92% del totale e i gruppi cinesi rappresentano circa il 60% del totale dei partecipanti. A questo bisogna aggiungere 70M€ necessari per lo scavo e le infrastrutture del laboratorio che ospiterà l’esperimento, che sono a totale carico cinese.

La Cina è quindi passata nell’arco di qualche decennio dall’avere un ruolo marginale nella fisica delle particelle a poter finanziare quasi totalmente un esperimento gigante per la fisica del neutrino, offrendo anche numerose posizioni sia da ricercatore sia da professore ordinario agli scienziati occidentali. Tutto questo grazie a massicci investimenti nella ricerca e nella formazione effettuati negli ultimi decenni da cui ha tratto vantaggio anche la ricerca di base che non ha necessariamente immediate applicazioni nella vita quotidiana della popolazione.

In Corea poi si sta progettando un esperimento molto simile a JUNO, RENO50, che tuttavia non è ancora totalmente finanziato.

Il crescente ruolo dei paesi asiatici, dapprima il Giappone, e adesso Cina e Corea, nella fisica del neutrino è una palese dimostrazione di ciò che è vero più in generale: il continente asiatico ha ormai il primato negli investimenti in R&S con circa un 40% del totale degli investimenti mondiali, l’America del Nord (Stati Uniti e Canada) seguono con circa il 29% e l’Europa è scivolata al terzo posto con un 21%.

Tornando ai neutrini, c’è però ancora dell’altro che non conosciamo.

Essi potrebbero essere particelle di Majorana invece che di Dirac e ogni neutrino di un dato sapore coincidere con la sua antiparticella. In tale ipotesi è possibile accada il decadimento doppio beta senza neutrino di alcuni nuclei, per quali è stato misurato il normale, ma già molto raro, decadimento doppio beta con l’emissione di due neutrini. Il processo di decadimento doppio beta senza neutrino è proibito dal Modello Standard e violerebbe la conservazione del numero leptonico. Alla possibile natura di Majorana dei neutrini è legata la possibilità di contribuire alla spiegazione della prevalenza della materia dell’universo attraverso un processo di leptogenesi.

Entriamo qui in un campo di ricerca possibile solo nei laboratori sotterranei profondi al riparo dal disturbo creato dalla pioggia incessante di raggi cosmici che fluisce nell’atmosfera terrestre.

Il panorama mondiale di esperimenti in questo campo è molto ricco, gli isotopi utilizzati sono diversi e gli esperimenti competono in termini di sensibilità, proporzionale al prodotto della massa utilizzata per il tempo  di esposizione, ma soprattutto in termini di radio purezza e capacità di discriminazione degli eventi di fondo. In particolare nel laboratorio del Gran Sasso è in funzione l’esperimento GERDA, al momento il più sensibile al mondo. E’ inoltre entrato in funzione più recentemente l’esperimento CUORE.

La sola speranza di un risultato positivo in questo campo, stante la sensibilità di tutti gli esperimenti, è legata all’ipotesi che la gerarchia di massa sia quella inversa; da qui quindi di nuovo l’interesse alla sua determinazione da parte degli esperimenti già in funzione o che dovrebbero esserlo nei prossimi anni.

Guardando alle prospettive future nel panorama mondiale dello studio dei neutrini, ci possiamo quindi aspettare notevoli progressi sia nella comprensione delle sue caratteristiche sia nel loro utilizzo come potenti sonde di esplorazione dell’universo.

In un ideale “Gran Tour” scientifico a caccia di neutrini, possiamo inoltre notare che lo studio delle sorgenti cosmiche, del sole, della Terra, fino ai lontani e potentissimi acceleratori cosmici, si svolge in sostanza su molte località del nostro pianeta, nei laboratori sotterranei che spaziano dall’Europa, agli Stati Uniti, al Canada, al Giappone, Cina, Corea, o in luoghi estremi come il polo sud o le profondità del mare Mediterraneo. Così avviene anche per le ricerche sull’ipotizzato decadimento doppio beta senza neutrini, finora mai osservato, che devono necessariamente svolgersi in laboratori sotterranei profondi.

Al contrario le ricerche volte a completare il quadro delle nostre attuali conoscenze sulla matrice di mescolamento di queste elusive particelle e che devono avvalersi di fasci artificiali, vedono l’Asia in ruolo prominente, in particolare Cina, Giappone e Corea.

Anche gli Stati Uniti partecipano con il progetto DUNE, di cui al momento però solo la realizzazione del fascio è totalmente finanziata e che, auspicabilmente, fornirà i primi dati con un rivelatore da 10000 tonnellate nella seconda metà del prossimo decennio.

Il CERN di Ginevra, sede della più avanzata ricerca mondiale in fisica delle particelle elementari con l’acceleratore LHC, il più potente al mondo, ha avuto in anni passati un ruolo preminente anche nella fisica del neutrino, ricordo solo il fascio CNGS (CERN Neutrino Gran Sasso) che ha permesso all’esperimento OPERA la prima dimostrazione diretta delle oscillazioni di neutrino. Tuttavia in futuro farà solo da laboratorio d’appoggio per gli esperimenti su fasci artificiali di neutrini da realizzare negli Stati Uniti. Una decisione che s’inquadra nella consapevolezza che la strategia della ricerca debba essere ormai definita in un quadro internazionale più ampio dell’Europa, allo scopo di massimizzare l’efficacia delle risorse mondiali a disposizione.

Decisione sofferta che ha generato amarezza nella larga comunità di fisici europei esperti del settore, sospingendoli idealmente a oriente su una nuova via della seta.

Il neutrino può essere paragonato a un fantasma per la sua elusività e a un camaleonte per la sua capacità di trasformarsi da un “sapore” a un altro, nel futuro potrebbe avere anche gli occhi a mandorla?