Bruno Pontecorvo, il “Cucciolo” di Via Panisperna, ha contribuito in modo estremamente importante allo sviluppo della fisica dei neutrini e delle interazioni deboli. Le sue intuizioni sulle oscillazioni dei neutrini hanno aperto le porte alle scoperte della fisica al di là del Modello Standard. A partire dal 1950 lavorò a Dubna,in Unione Sovietica, dove all’epoca si trovava il più grande acceleratore di particelle del mondo. Qui maturarono le sue rivoluzionarie idee, tra cui quella del mescolamento e delle oscillazioni dei neutrini. Quest’ultima fu teorizzata nel 1957 poco dopo la proposta della teoria dei neutrini a due componenti da parte di Lev Landau, Tsung-Dao Lee, Chen Ning Yang e Abdus Salam, e la sua conferma sperimentale attraverso l’esperimento di Goldhaber.
Pontecorvo fu particolarmente interessato alle oscillazioni particelle neutre studiate da Murray Gell-Mann e Abraham Pais nel 1954. Questa ipotesi suggeriva che certe particelle, in particolare i mesoni K (oggi noti come kaoni) potessero trasformarsi nella loro antiparticella e viceversa. Nel suo lavoro “Mesonium and antimesonium” propose la seguente questione:
“..se esistono altre particelle neutre ‘miste’ (non necessariamente elementari) che non sono identiche alle rispettive antiparticelle e per le quali le transizioni particella-antiparticella non sono rigorosamente proibite.”
Identificò un tale sistema con il muonio, un atomo esotico composto da un antimuone e un elettrone, e l’antimuonio:
“L’unico sistema formato dagli attuali costituenti conosciuti che potrebbe essere una particella mista sarebbe il mesonio, definito come il sistema legato (μ+-e-), e l’antimesonio, cioè il sistema (μ+-e+). Inoltre, l’inversione mesonio-antimesonio non solo non è vietata da nessuna delle leggi conosciute, ma anzi dovrebbe effettivamente verificarsi in virtù delle interazioni già stabilite."
Bisogna chiarire una questione di notazione: quello a cui Pontecorvo fa riferimento col termine mesone è, in realtà, il muone. Questa confusione nasce con una scoperta nel 1936 da parte di Anderson della particella mediatrice delle interazioni nucleari forti che venne identificata inizialmente come il mesone. Solo la serie di esperimenti di Conversi-Pancini-Piccioni degli anni ’40, sotto una Roma bombardata, permisero di fare luce sulla vera natura della particella. Si trattava infatti del muone!
Concluse poi:
“Se la teoria del neutrino a due componenti dovesse rivelarsi errata (cosa che al momento sembra piuttosto improbabile) e se la legge di conservazione della carica del neutrino non si applicasse, allora in linea di principio le transizioni neutrino-antineutrino potrebbero avvenire nel vuoto. Anche in questo caso, così come nel caso in cui si assuma che per ogni mondo esista un anti-mondo, il numero di neutrini e di antineutrini nell'universo dovrebbe essere lo stesso.”
Nel 1956 Frederick Reines e Clyde Cowan svolsero un importante esperimento per dimostrare l’esistenza dei neutrini. Scrissero poi a Wolfgang Pauli, colui che ne aveva teorizzato l’esistenza denominandoli “lo stupido figlio della mia crisi esistenziale”, che recitava:
“Siamo lieti di informarti che abbiamo individuato con certezza i neutrini osservando il decadimento beta inverso dei protoni. La sezione d’urto osservata concorda bene con quella prevista.”
Pauli il giorno dopo rispose:
“Grazie per il messaggio. Tutto arriva a chi sa aspettare.”
Anche qui una nota a margine: in realtà scoprirono l’antineutrino attraverso un processo di decadimento beta dove l’antineutrino interagisce con un protone per dare un neutrone e un positrone.
Allo stesso tempo, Raymond Davis condusse un esperimento con l'obiettivo di rilevare la produzione di argon-37 attraverso l'interazione degli antineutrini provenienti dai reattori nucleari con il cloro-37. Questi eventi potrebbero essere dovuti alle transizioni degli antineutrini in neutrini destrorsi durante il tragitto dal reattore al rivelatore.
Questi due esperimenti suggerirono a Pontecorvo l’idea delle oscillazioni dei neutrini, che pubblicò in uno dei primissimi lavori intitolato “Processi beta inversi e non conservazione della carica leptonica”. Qui scrive:
“È stato osservato che il neutrino potrebbe essere una particella ‘mista’ e di conseguenza potrebbe esistere la possibilità di vere e proprie transizioni neutrino-antineutrino nel vuoto, a patto che la carica leptonica non si conservi. Nella presente nota si studia in modo approfondito questa possibilità, il cui interesse è stato rinnovato da recenti esperimenti sui processi beta inversi.”
E fa due assunzioni: il neutrino e l’antineutrino sono due particelle distinte e che la legge di conservazione della carica del neutrino non è valida per alcuni processi. Scrive poi:
“Dalle ipotesi precedenti si deduce che nel vuoto un neutrino può trasformarsi in un antineutrino e viceversa. Ciò significa che il neutrino e l’antineutrino sono particelle ‘miste’, cioè una combinazione simmetria e antisimmetrica di due particelle di Majorana di diversa parità.”
Si era aperto un nuovo e vasto campo di ricerca in cui lo stesso Pontecorvo vestirà i panni di protagonista.
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