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L’eredità dell’esperimento OPERA

Figura 1 – Interazione di un neutrino tauonico (vertice I) con produzione di una particella neutra contenente il quark c (che decade in due particelle cariche nel vertice II) e di un tauone (che decade nel vertice III). In grigio sono indicate le lastrine di piombo spesse 1 mm ed in giallo le lastrine di emulsione nucleare.

In un articolo pubblicato recentemente sulla prestigiosa Physical Review Letters, la collaborazione OPERA ha comunicato l’osservazione di dieci neutrini tau in un fascio di neutrini muonici, inserendo il tassello mancante nel puzzle delle oscillazioni del neutrino.

I neutrini sono particelle estremamente difficili da rivelare, in quanto prive di carica elettrica e con una debole probabilità di interazione con la materia. Essi si manifestano in tre diversi “sapori”: elettronico, muonico e tauonico, corrispondenti ai tre leptoni carichi che vengono prodotti dall’interazione dei neutrini con la materia. Come conseguenza della meccanica quantistica sappiamo inoltre che i neutrini possono cambiare da un sapore all’altro (oscillazione) durante il loro tragitto.

L’esperimento OPERA ha utilizzato il fascio di neutrini prodotto presso il CERN di Ginevra e denominato CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso). Grazie alla bassissima probabilità di interazione, dopo un cammino indisturbato di 732 km nella crosta terrestre, i neutrini del fascio raggiungevano l’apparato sperimentale, situato nei laboratori sotterranei del Gran Sasso, progettato per osservare la loro trasmutazione in neutrini tauonici. Per identificare al di là di ogni ragionevole dubbio i tauoni prodotti nelle interazioni dei neutrini, nell’esperimento è stata utilizzata la tecnica delle emulsioni nucleari, che nel 1947 consentirono l’osservazione, per la prima volta, del pione studiando i raggi cosmici nell’atmosfera terrestre.

Le emulsioni nucleari sono simili alle ormai obsolete lastre fotografiche: vengono impressionate dalle particelle cariche, che vi lasciano tracce osservabili mediante dei microscopi ottici dopo dei trattamenti chimici che prendono il nome di sviluppo. Nell’esperimento OPERA le lastrine di emulsione erano alternate a lastrine di piombo spesse 1 mm all’interno di “mattoni” dal volume di (12 x 10 x 7) cm3. Il tauone infatti decade nello spazio di 1 mm ed in questa maniera si riesce a conciliare la precisione delle misure spaziali (al millesimo di mm) con la necessità di ottenere molte interazioni (grazie all’alto peso atomico del piombo). Nelle Figure 1 e 2 sono mostrati alcuni esempi di candidati tau ricostruiti da OPERA; la seconda consente anche di apprezzare la precisione ottenibile con le emulsioni nucleari.

Figura 2 – Esempio di evento ricostruito con le emulsioni di OPERA. Il vertice dell’interazione del neutrino è visibile a sinistra. Le particelle sono ricostruite dall’unione dei segmenti di traccia nelle emulsioni (in giallo). La piccola traccia in rosso è identificata come un tauone che decade in un pione carico (la traccia celeste) ed in uno neutro (identificato dai due fotoni in cui decade immediatamente, γ1 e γ2, visibili come sciami). L’evento qui riportato è stato il primo evento di oscillazione osservato da OPERA.

L’esperimento era dotato anche di rivelatori che fornivano precise informazioni in tempo reale sulle interazioni dei neutrini, selezionando i mattoni da analizzare e misurando con precisione carica e quantità di moto dei muoni prodotti nelle interazioni dei neutrini non trasmutati. La massa complessiva del Piombo, cioè quella utile per ricostruire le interazioni dei neutrini tauonici nelle emulsioni, era di 1250 tonnellate, ma l’intero esperimento aveva un peso superiore alle 3500 tonnellate. L’apparato includeva anche delle macchine robotizzate per la costruzione dei mattoni e l’estrazione di questi durante la presa dati.

Vale qui la pena di ricordare il fondamentale contributo dei fisici, degli ingegneri e del personale tecnico dei Laboratori di Frascati all’esperimento, in fase di progettazione, di realizzazione e di conduzione dell’esperimento, che ha preso dati dal 2008 al 2012 ed è stato successivamente smontato.

L’analisi dei dati, rallentata dalle operazioni di sviluppo e di scansione delle emulsioni (operazione condotta con decine di microscopi tra Europa e Giappone), è terminata alla fine del 2016, con circa 7000 eventi ricostruiti. Per la misura pubblicata nel recente articolo è stato di fondamentale importanza l’utilizzo di moderne tecniche analitiche come il “Boosted Decision Tree”. Uno dei 10 eventi pubblicati, mostrato in Figura 1, è la prima, e per ora unica, interazione mai osservata di un neutrino tauonico con produzione di un tauone insieme ad una particella contenente il quark c. Il discreto numero di tauoni osservati ha portato alla misura della sezione d’urto di interazione dei neutrini tauonici, seppur con un errore del 30%. Occorre infatti notare come solo un altro esperimento abbia collezionato un analogo campione di neutrini tauonici, peraltro utilizzando le emulsioni: si tratta di DONUT al Fermilab. Il campione misurato da DONUT era però contaminato da antineutrini, che hanno una sezione d’urto diversa dai neutrini.

Grazie all’utilizzo delle emulsioni, OPERA è l’unico esperimento in grado di osservare tutti e tre i tipi di neutrino, distinguendo il leptone prodotto nelle interazioni: il tauone come una particella instabile che decade nello spazio di un mm, il muone come una particella estremamente penetrante e l’elettrone come una particella che produce uno sciame di altre particelle. Nei prossimi mesi la collaborazione pubblicherà i risultati sull’oscillazione di neutrini muonici in neutrini elettronici, nonché la misura della sparizione dei neutrini muonici.

I risultati verranno analizzati anche alla luce di possibili modelli di fisica oltre il Modello Standard delle particelle elementari, che prevedono l’esistenza di altri tipi di neutrini, detti sterili, trasmutazioni del sapore dei neutrini indotte da interazioni non standard con la materia nel tragitto dal CERN al Gran Sasso oppure la violazione dell’invarianza per trasformazioni di Lorentz (una delle basi della teoria della Relatività di Einstein). Vale la pena di osservare come l’energia relativamente alta dei neutrini del fascio CNGS (qualche decina di GeV) renda queste misure complementari a quelle già pubblicate da altri esperimenti (MINOS, T2K, NOvA) con fasci di energia più bassa.

L’esperimento OPERA ha condotto anche interessanti studi sui raggi cosmici. I rivelatori sotterranei possono infatti misurare i muoni prodotti dall’interazione in atmosfera dei raggi cosmici ad alta quota, consentendo lo studio di un vasto range di fenomeni scientifici, che va dalle interazioni delle particelle di alta energia alla fisica dell’atmosfera.

Gli eventi ricostruiti all’interno di OPERA (I dieci neutrini tauonici prodotti dalle oscillazioni e le interazioni dei neutrini muonici che invece non hanno subito interazioni) sono già consultabili a scopo didattico sul sito web del CERN, insieme a quelli degli esperimenti di LHC.

Se la fotografia digitale ha soppiantato gli antichi rullini nella realtà quotidiana, la tecnica delle emulsioni nucleari continuerà ad essere utilizzata nella fisica delle particelle, anche grazie al progresso nelle operazioni di scansione, che ha raggiunto una velocita’ di 190 cm2/h, 10 volte maggiore di quella, allora considerata record, dei microscopi di OPERA. Esistono infatti diverse proposte di esperimenti con emulsioni nucleari. Tra questi vale la pena di ricordare NEWS al Gran Sasso (per la rivelazione direzionale di materia oscura mediante l’utilizzo di luce polarizzata nei microscopi) e SHiP al CERN (tra i cui scopi c’e’ quello di raccogliere un campione di circa 1000 neutrini tauonici per meglio studiarne le caratteristiche e misurarne la sezione d’urto con precisione).

A titolo di curiosità, nella figura qui sotto si può vedere un’immagine particolare dell’esperimento, ottenuta utilizzando una lastrina di emulsione come se fosse una lastra fotografica. (Alessandro Paoloni)

Immagine dell’esperimento OPERA situato presso la sala C dei laboratori sotterranei del Gran Sasso. L’immagine è stata impressionata su una lastrina di emulsione nucleare inserita in una macchina fotografica artigianale. Autore: D. Di Ferdinando (INFN – Bologna).