Neutrini
Il neutrino è una particella elementare indicata con la lettera greca $ \nu $ che appartiene alla famiglia dei leptoni. È elettricamente neutra e possiede una massa a riposo estremamente piccola, molto inferiore a quella di qualsiasi altra particella nota con massa diversa da zero. Ha spin semi-intero, pari a 1/2, quindi è un fermione.
In altre parole, il neutrino è una particella quasi “fantasma” perché è molto difficile da rivelare.
E' estremamente penetrante, miliardi di neutrini solari attraversano ogni secondo ogni cm² della superficie terrestre senza essere fermati.
Interagisce esclusivamente tramite interazione debole e gravità, due forze di portata e intensità estremamente ridotte.
Inoltre ha carica nulla, quindi non subisce l’interazione elettromagnetica e attraversa la materia ordinaria quasi senza lasciare traccia.
Esempio. Nel nucleo del Sole la fusione dell’idrogeno in elio produce enormi quantità di neutrini elettronici. Sulla superficie terrestre arrivano circa $ 6.5 \times 10^{10} \ \text{neutrini}/(\text{cm}^2 \cdot \text{s}) $. Questo significa che ogni secondo, attraverso un’unghia della mano passano decine di miliardi di neutrini, senza che ci sia alcun effetto misurabile.
Come tutti i leptoni, non subisce l’interazione forte, quindi non partecipa alla formazione di protoni e neutroni.
Un neutrino può interagire solo con la forza debole, responsabile della creazione e dell’annichilazione dei neutrini.
L'interazione con la forza gravitazionale è trascurabile nella pratica, per via della massa minuscola del neutrino. I neutrini hanno massa diversa da zero, seppur piccolissima.
Qual è l'origine dei neutrini? I neutrini si formano in numerosi processi naturali e artificiali: nei decadimenti beta di nuclei atomici e adroni, nelle reazioni nucleari di una stella (come nel Sole), nei reattori nucleari, nelle collisioni di raggi cosmici con l’atmosfera o negli acceleratori di particelle.
Sapori (flavors) e oscillazioni
Esistono tre “sapori” di neutrino, ciascuno associato a una particella carica della famiglia dei leptoni:
| Sapore del neutrino | Simbolo | Leptone associato |
|---|---|---|
| Neutrino elettronico | \(\nu_e\) | Elettrone |
| Neutrino muonico | \(\nu_{\mu}\) | Muone |
| Neutrino tauonico | \(\nu_{\tau}\) | Tau |
Un neutrino creato con un certo sapore non mantiene necessariamente la stessa identità durante il viaggio. Questo fenomeno è noto come oscillazione dei neutrini.
Ogni neutrino ha un numero leptonico ben definito.
Per ogni neutrino esiste un’antiparticella corrispondente detta antineutrino, che si distingue per il numero leptonico opposto.
| Particella | Simbolo | Nome | Numero leptonico |
|---|---|---|---|
| Neutrino elettronico | \(\nu_e\) | Neutrino elettronico | +1 |
| Neutrino muonico | \(\nu_{\mu}\) | Neutrino muonico | +1 |
| Neutrino tauonico | \(\nu_{\tau}\) | Neutrino tauonico | +1 |
| Antineutrino elettronico | \(\bar{\nu}_e\) | Antineutrino elettronico | -1 |
| Antineutrino muonico | \(\bar{\nu}_{\mu}\) | Antineutrino muonico | -1 |
| Antineutrino tauonico | \(\bar{\nu}_{\tau}\) | Antineutrino tauonico | -1 |
Cos'è il numero leptonico? Il numero leptonico è un numero quantico assegnato a ogni particella del gruppo dei leptoni e serve a tenere traccia dei leptoni in una reazione. Nei processi del Modello Standard, vale il principio di conservazione della somma dei numeri leptonici, in alte parole la somma prima e dopo la reazione deve essere sempre la stessa. In generale, il numero leptonico è assegnato a tutte le particelle
- Leptoni (elettrone, muone, tau e i rispettivi neutrini) hanno numero leptonico $+1$.
- Antileptoni (positrone, antimuone, antitau e antineutrini) hanno numero leptonico $-1$.
- Tutte le altre particelle (quark, fotoni, gluoni, ecc.) hanno numero leptonico $0$.
I neutrini e gli antineutrini compaiono in molti processi nucleari naturali o artificiali.
Esempio
Nel decadimento beta⁻, un neutrone presente nel nucleo si trasforma in un protone.
Durante questo processo vengono emessi un elettrone e un antineutrino elettronico:
$$ n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e $$
Nel lato sinistro della reazione il neutrone $n$ ha numero leptonico $0$.
Nel lato destro, invece, c'è:
- un protone $p$ con numero leptonico $0$
- un elettrone $e^-$ con numero leptonico $+1$
- un antineutrino elettronico $\bar{\nu}_e$ con numero leptonico $-1$
La somma dei numeri leptonici a destra è uguale a zero:
$$ 0 + 1 + (-1) = 0 $$
Poiché la somma dei numeri leptonici è $0$ sia a sinistra che a destra, il numero leptonico totale si conserva.
Quindi la reazione è ammessa dal Modello standard.
Nota. Nel decadimento beta⁺ accade il contrario: un protone si trasforma in un neutrone. In questo caso vengono emessi un positrone (l’antiparticella dell’elettrone) e un neutrino elettronico. $$ p \rightarrow n + e^+ + \nu_e $$ Anche in questo caso il numero leptonico si conserva $$ p^{(0)} \;\rightarrow\; n^{(0)} \;+\; e^{+\,(-1)} \;+\; \nu_e^{(+1)} $$ Per semplicità ho indicato il numero leptonico di ciascuna particella in apice. La somma dei numeri leptonici a sinistra e a destra della reazione è la stessa $0 + (-1) + (+1) = 0$. Quindi anche questa reazione è ammessa dal Modello standard.
E così via.
