Alla fine la notizia è arrivata! Molti sospettavano che sarebbe finita così, cioè che la misura della velocità dei neutrini eseguita da Opera, che indicava una velocità superiore a quella della luce, avesse un baco. Tale baco ora è stato individuato.
Ho già espresso il mio parere nella nota che avevo scritto per ilsussidiario.net a settembre 2011. Una misura così delicata e difficile, con un risultato così rivoluzionario, avrebbe dovuto rimanere all’interno del dibattito fra addetti ai lavori, fino a che non si fosse arrivati alla certezza assoluta della correttezza della misura; e ciò ancor più se si tiene conto anche di indicazioni contrastanti con il risultato della misura di Opera. Ne è un esempio il decadimento della Supernova avvenuto del 1985; i neutrini sono arrivati in anticipo di solo qualche ora rispetto ai fotoni, perché riescono a sfuggire dalla gravitazione della materia altamente condensata della Supernova prima dei fotoni. Se fosse stato vero il risultato di Opera, i neutrini avrebbero dovuto arrivare circa quattro anni prima dei fotoni.
Credo sia utile al lettore avere un flash sulle operazioni che devono essere fatte per eseguire una misura quale quella fatta da Opera. Come è noto, dal Centro Europeo di Ricerche Nucleari (Cern) di Ginevra viene inviato un fascio di neutrini nella direzione del Gran Sasso (CNGS). Questo fascio ovviamente attraversa parte della Terra, data la curvatura della stessa , e arriva ai Laboratori del Gran Sasso le cui sale sono orientate nella direzione del Cern. L’attraversamento della materia terrestre non perturba il moto dei neutrini, a causa della loro bassissima probabilità di interazione .
Per fare una misura della loro velocità bisogna conoscere con altissima precisione la distanza fra il punto nel quale i neutrini vengono emessi al Cern ed il rivelatore al Gran Sasso, sapere al nanosecondo (un miliardesimo di secondo) l’istante di partenza dei neutrini e quello nel quale arrivano, e ciò va fatto con orologi perfettamente sincronizzati.
La misura della velocità di questi neutrini necessita di almeno cinque “step”, e precisamente:
1 – la valutazione del tempo di partenza dei neutrini dal Cern;
2 – la misura geodesica fra il punto ove vengono prodotti i neutrini ed un’antenna GPS istallata al Cern;
3 – la misura della distanza fra l’antenna istallata al Cern e una analoga istallata all’esterno dei Laboratori del Gran Sasso. Tale misura viene fatta attraverso il GPS;
4 – la misura geodesica della distanza fra l’antenna istallata nei laboratori esterni del Gran Sasso ed il rivelatore istallato sotto terra;
5 – la rivelazione dell’arrivo dei neutrini nel rivelatore e la valutazione del tempo relativo.
Prima di entrare nei singoli punti bisogna spendere qualche parola sul sistema GPS, che è l’acronimo di Global Positioning System, cioè Sistema di Posizionamento Globale. Il sistema, gestito dagli Usa, consiste di 31 satelliti che operano su due piani diversi di orbite, a diversa distanza rispetto alla Terra. Questo sistema fornisce posizione e orario in ogni punto sulla Terra, inviando segnali che vengono captati da antenne, decodificati e interpretati da GPS receivers. In questo modo il sistema non solo riesce a fornire la posizione, ma anche sincronizza in ogni momento orologi posti in posizioni diverse.
I segnali inviati dai satelliti utilizzano onde elettromagnetiche con frequenze intorno ai 1200-1500 MegaHertz. Correzioni sono introdotte dal sistema stesso per tener conto degli effetti dovuti alla gravitazione (spazio curvo della Relatività Generale), dello stato della ionosfera che, se perturbato o meno, può cambiare il suo indice di rifrazione, della rotazione della Terra (effetto Sagny-Coriolis).
Al Cern e al Gran Sasso sono istallati due orologi atomici. Questi possono subire piccole imprecisioni temporali, ma vengono continuamente corretti e sincronizzati dai segnali GPS, captati dalle antenne istallate al Cern e al Gran Sasso attraverso i GPS receivers.
Se riprendiamo i cinque steps menzionati sopra, possiamo dare qualche ulteriore informazione.
1 -Dall’acceleratore del Cern viene estratto il fascio accelerato di protoni a tempi fissi. I protoni incidono su un bersaglio materiale producendo particelle di tutti i tipi. Attraverso più sistemi di magneti viene selezionato un fascio di mesoni pigreco (pioni), che è ben focalizzato e assume la forma di un pennello con raggio trasversale di pochi millimetri. I pioni che viaggiano in un tubo a vuoto, decadono durante il loro percorso, emettendo neutrini. Il punto in cui i neutrini vengono prodotti nel tubo a vuoto non è molto importante in quanto ambedue le particelle, quella che decade ed il suo prodotto, hanno la velocità praticamente uguale a quella della luce. Quindi l’errore che può scaturire da questa non conoscenza è di qualche frazione di nanosecondo. è invece di grande importanza avere una valutazione al nanosecondo del tempo che intercorre fra l’estrazione del fascio dall’acceleratore e il momento nel quale tale fascio attraversa la zona del tubo a vuoto, nel quale il pione decade.
2 – Al Cern viene misurata la distanza fra l’antenna ivi istallata ed il punto di produzione del neutrino , cioè, come detto prima, la distanza rispetto al tubo a vuoto ove avviene il decadimento del pione. Tale misura viene eseguita da gruppi esperti di topografia mediante istallazione di antenne di servizio e GPS receivers onde eseguire le triangolazioni necessarie. La precisione di tali misure è dell’ordine di alcuni millimetri o di un centimetro.
3 – La misura fra l’antenna istallata al Gran Sasso e quella al Cern viene misurata attraverso il sistema GPS sopra descritto con una precisione dell’ordine del centimetro.
4 – La misura della distanza fra l’antenna istallata al Gran Sasso ed il rivelatore istallato nei laboratori sotterranei viene fatto in modo analogo a quanto viene fatto al Cern con qualche maggiore complicazione per l’accesso ai Laboratori sotterranei che deve avvenire attraverso il tunnel autostradale.
5 – Infine il rivelatore al Gran Sasso rivela i muoni che sono particelle prodotte al Gran Sasso dai neutrini (neutrini muonici) inviati dal Cern. è necessario misurare il tempo di rivelazione del muone da parte del rivelatore, e ciò viene fatto attraverso il tempo fornito dal GPS receiver istallato al Gran Sasso.
Naturalmente i metodi e le apparecchiature sono molto più complicati di quanto appena detto. Si tratta di raggiungere precisioni temporali elevatissime e misure di posizione che possono avere incertezze di un centimetro su una distanza di circa 730 km, quale è quella fra il Cern e il Gran Sasso.
Il baco individuato dai fisici dell’esperimento Opera è duplice: una cattiva connessione fra la fibra ottica che collega il GPS receiver istallato al Gran Sasso e l’elettronica del rivelatore Opera; un misuratore temporale che si credeva quantizzato a 5 nanosecondi, mentre invece lo è a 50 nanosecondi.
E ora? Vi sono nel mondo cinque esperimenti , oltre a Opera, che stanno perseguendo la misura della velocità dei neutrini: Minos al Laboratorio Fermi di Chicago, T2K in Giappone, Borexino al Gran Sasso, oltre a LVD e Icarus, che utilizzano parte delle apparecchiature di Borexino. A questi si aggiunge Opera che rifarà la misura. Quindi da maggio 2012 in poi avremo misure di precisione della velocità dei neutrini, che, molto verosimilmente saranno in accordo con la velocità della luce.
Restate in linea!
