OPERA: alla ricerca del tau

Colloquio con il Dott. Terranova

Ogni secondo, ogni centimetro del nostro corpo è attraversato da 60 miliardi di neutrini provenienti dallo spazio. I neutrini, spesso chiamati per la loro natura “particelle fantasma”, sono inafferrabili, l’Universo ne è pieno e studiarli per i fisici vuol dire scoprire rilevanti segreti del cosmo.

In soccorso ai fisici è venuto l’esperimento OPERA, che ha prodotto nel corso del 2010 un risultato che potrebbe essere rivoluzionario e rappresentare la prova definitiva di una congettura ardita, formulata per la prima volta negli anni ’50 da Bruno Pontecorvo. I neutrini sono sì inafferrabili ma, contrariamente a quanto si pensava ai tempi di Enrico Fermi, potrebbero avere una massa, seppur molto piccola. La prova finale di questa congettura è l’osservazione di una trasformazione tra i vari tipi di neutrini (cioè i neutrini elettronici, quelli muonici e i neutrini tau) nel loro tragitto tra la sorgente che li ha prodotti e il rivelatore che li ha osservati. Effettivamente, una trasmutazione di questo tipo è stata “fotografata” osservando un neutrino tau ai Laboratori del Gran Sasso, in Abruzzo; quest’ultimo molto probabilmente era un neutrino muonico nel momento in cui è stato prodotto agli acceleratori del CERN. Se così fosse, il Modello Standard della fisica accettato sino ad oggi andrebbe revisionato e saremmo davanti a nuovi orizzonti tutti da scoprire.

Francesco Terranova
INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Ricercatore ai Laboratori Nazionali di Frascati e viceresponsabile della Collaborazione OPERA
Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Quando e come nasce l’idea del progetto OPERA?

Il progetto è stato concepito nel 2001 quando si è deciso di realizzare un fascio di neutrini dal CERN al Gran Sasso ed è iniziato nel 2006 quando i primi neutrini muonici, ovvero i neutrini “normali”, sono stati visti nell’apparato di OPERA. Tuttavia, l’esperimento ha raggiunto la sua massima sensibilità a partire dal 2008, quando l’ultimo dei “mattoni” che costituiscono OPERA è stato installato. Lo scopo di questo esperimento è vedere se, arrivati al Gran Sasso, i neutrini muonici si trasformano in neutrini tau. Questo perché è da oltre 40 anni che si osserva, attraverso diversi esperimenti, la sparizione di neutrini provenienti dal Sole o da altre sorgenti. Dove vanno a finire questi neutrini? Forse non spariscono ma si trasformano? È per rispondere a questa domanda che OPERA è stato costruito e la prova diretta della trasformazione (in termini fisici si parla di oscillazione) è arrivata solo adesso.

Come avviene la ricerca del segnale del neutrino tau?

Diciamo che la metodologia di ricerca ricorda un po’ gli inizi della fisica delle particelle. OPERA è formato da più di 150.000 piccole unità chiamate “mattoni”, composte da una alternanza di lastre di piombo e di lastre fotografiche, che funzionano come una gigantesca macchina fotografica. La traccia che il neutrino lascia quando colpisce uno dei mattoni viene letteralmente fotografata. La difficoltà del lavoro sta proprio nell’andare a sviluppare e analizzare queste lastre fotografiche con decine di microscopi automatici per capire se il neutrino muonico “sparato” dal CERN possa essersi trasformato in neutrino tau.

E quest’anno è stato osservato il primo neutrino tau….

In realtà la traccia è stata lasciata il 22 agosto del 2009, da un neutrino che ha colpito il nostro rivelatore al Gran Sasso più di un anno fa. Ricordiamo che i neutrini possono attraversare la materia senza interagire e quindi, nonostante dal CERN vengano inviati ogni giorno decine di miliardi di neutrini, solo una ventina colpiscono il piombo e possono essere fotografati da OPERA. Sapevamo quindi che c’era stata una rilevazione e conoscevamo il mattone in cui l’urto era avvenuto, ma non sapevamo di che tipo di neutrino si trattasse. Durante l’inverno, il mattone è stato inviato in camera oscura, sono state sviluppate le lastre fotografiche e in seguito ad accurate analisi, è stato finalmente trovato un neutrino tau. Se riuscissimo ad osservare 4 o 5 segnali come questi (detti in gergo “eventi”), la probabilità che questo fenomeno sia dovuto ad un effetto diverso dalle oscillazioni dei neutrini sarebbe praticamente zero. E se il neutrino si trasforma, seguendo il ragionamento originario di Pontecorvo, deve necessariamente possedere una massa. Seppur leggerissimo, non gli è più permesso di muoversi alla velocità della luce.

Qual è il ruolo della rete?

I mattoni di OPERA sono inseriti tra migliaia di plastiche scintillanti. La luce proveniente da questi dispositivi viene osservata da fotorivelatori che permettono di conoscere quale mattone è stato colpito dai neutrini prima ancora di sviluppare le lastre fotografiche. I dispositivi che raccolgono questa luce sono visti come nodi attivi di una grande rete ethernet costituita da circa 1500 unità. L’intera presa dati e tutto il flusso di informazioni che i dispositivi inviano ai server centrali sono stati concepiti su rete ethernet; OPERA perciò appare come una rete ethernet gerarchica. È il server centrale che decide se l’evento in questione è interessante e inserisce tutte le informazioni utili in un database locale. Quest’ultimo viene periodicamente sincronizzato con due database cloni situati rispettivamente nei Laboratori di superficie del Gran Sasso ad Assergi (AQ) e presso l’Università di Lione, in Francia. È in questi database che avviene l’analisi delocalizzata dei dati. Su di essi converge anche tutto il flusso di informazioni provenienti dai microscopi automatici che, 24 ore su 24, analizzano le lastre fotografiche. La collaborazione OPERA ha costruito decine di questi microscopi in Italia, Giappone, Svizzera e, più recentemente, in Russia e in Turchia.

Ma c’è un altro compito ancora più interessante che la rete svolge con l’ausilio del sistema GPS, lo stesso utilizzato dai navigatori satellitari. È una sorta di sincronizzazione a posteriori per poter sapere se i neutrini che vengono mandati dal CERN siano effettivamente i neutrini che vengono ricevuti al Gran Sasso. I database del CERN memorizzano i tempi in cui gli acceleratori hanno prodotto i neutrini. Questa informazione viene letta via Internet dal Gran Sasso e confrontata con i tempi in cui si sono verificati gli urti nei mattoni. Se i due eventi (ovvero i dati in rete in partenza e in arrivo) differiscono il giusto intervallo che serve ai neutrini per andare dal CERN al Gran Sasso, vuol dire che si tratta degli stessi neutrini. Naturalmente perché questa sincronizzazione sia affidabile è importante che gli orologi del CERN e del Gran Sasso siano sincronizzati con grande precisione. Questa sincronizzazione è resa possibile dal Global Positioning System (GPS), lo stesso sistema grazie al quale funzionano i navigatori satellitari che usiamo nelle nostre automobili o negli smartphone.

Vi è però un caso in cui è proprio la velocità della rete ad essere l’elemento cruciale. Periodicamente il CERN manda un “early warning” via Internet che avvisa i Laboratori del Gran Sasso dell’arrivo dei neutrini e fornisce il tempo stimato di arrivo, come fosse un orario dei treni. Se l’early warning raggiunge OPERA sufficientemente in anticipo, qualunque dato proveniente dalle plastiche scintillanti “all’arrivo del treno” viene acquisito senza ulteriori selezioni. In gergo, diciamo che, in quei momenti, “abbassiamo le soglie di rivelazione” in modo da rendere ancora più efficiente l’apparato. Ovviamente senza l’early warning ciò non sarebbe possibile in quanto operare l’esperimento a soglie così basse per lunghi periodi saturererebbe i nostri database di informazioni inutili.

Per maggiori informazioni: https://operaweb.lngs.infn.it