Che succede se la velocità della luce non è più quella di una volta

L'esito clamoroso dell'esperimento condotto tra il Cern ed il Gran Sasso e le sue sostanziali implicazioni: cosa vuol dire in pratica che un neutrino supera la velocità della luce?

Dopo la sua morte, Albert Einstein non ha certo avuto una vita facile. Nonostante le migliaia di verifiche sperimentali che hanno confermato con assoluta precisione la sua teoria della relatività, che all’epoca in cui fu per la prima volta esposta – nel 1905 – era appunto solo una teoria priva di riscontri empirici, c’è sempre chi spera di demolire quello che oggi è il più solido tempio della fisica moderna. 

Non fosse altro perché Einstein è Einstein, un’icona, un “mostro sacro”, e coglierlo in fallo vorrebbe dire riscrivere in buona parte la fisica odierna e aggiudicarsi un sicuro premio Nobel. Perciò, di dichiarazioni sensazionalistiche al riguardo ne sono state fatte tante, nessuna delle quali davvero capace di incrinare la solidità della fisica relativistica. Eppure, il risultato raggiunto dall’esperimento CNGS (Cern Neutrinos to Gran Sasso) è tale da far tremare i polsi, perché ad annunciarlo non è certo un misconosciuto scienziato fai-da-te, ma la più importante comunità scientifica oggi attiva, che fa a capo al miracoloso acceleratore di particelle LHC del Cern di Ginevra. 

Proprio quello che, secondo teorie catastrofiste in voga qualche anno fa su Internet, avrebbe potuto produrre un buco nero capace di inghiottire tutta la Terra. Invece, il potentissimo acceleratore sta producendo scoperte sorprendenti e gli scienziati di tutto il mondo guardano a Ginevra allo stesso modo in cui le borse mondiali attendono trepidanti i responsi di Wall Street...

Di per sé, la storia sembra molto più banale rispetto alle dichiarazioni sensazionalistiche dei media. Un fascio di neutrini, sparato dal Cern di Ginevra in direzione dei laboratori del Gran Sasso penetrando immense barriere di roccia (non certo viaggiando all’interno di un tunnel…) è arrivato a destinazione con 60 nanosecondi d’anticipo sui tempi previsti. Per capirci, un nanosecondo è un miliardesimo di secondo, e la differenza registrata rispetto alla velocità prevista, quella della luce – circa 300.000 km/s –, è di appena lo 0,0025%. Ma le implicazioni sono enormi. Gli scienziati si aspettavano che i neutrini viaggiassero a una velocità di poco inferiore a quella della luce: mai avrebbero immaginato che invece la superassero! Per capire le conseguenze possibili di questa scoperta bisogna comprendere alcuni elementi di base della fisica contemporanea.

Che conseguenze ha la scoperta del Cern?

Innanzitutto, perché esiste il limite della velocità-luce? Nella sua teoria della relatività ristretta, Einstein aveva fatto notare che tutto è relativo, compresi lo spazio e il tempo. Viceversa, la velocità di luce è una costante universale (indicata con c): dovunque e in qualsiasi momento ci troveremo a misurarla, scopriremo che è sempre pari a circa 300.000 km/s nel vuoto. Ma perché proprio la luce? Perché la luce è impacchettata all’interno di una particella, il fotone, che non ha massa. Una conseguenza dalla nota equazione E=MC2 è che un qualsiasi corpo accelerato alla velocità della luce (c) dovrebbe aumentare la sua massa (m) all’infinito e richiedere un’energia necessaria per accelerarlo (e) infinita, entrambi cose impossibili. Il problema non si pone con il fotone, che non ha massa e quindi ha una velocità che è la massima raggiungibile nel cosmo: qualsiasi altra particella dotata di massa, dunque, deve necessariamente muoversi a una velocità inferiore. Per molto tempo si è ipotizzato che il neutrino non avesse massa, e pertanto viaggiasse alla velocità della luce. Esperimenti successivi hanno messo in dubbio questo assunto. Dunque, il fatto che un neutrino possa superare, per quanto di pochissimo, la velocità della luce, vuol dire che la costante fondamentale c non è più tale: o che, perlomeno, il record di velocità nell’universo non appartiene più al fotone ma al neutrino.

Il "valore" dei neutrini

Ma cos’è un neutrino? Quella del neutrino è una storia molto italiana. A suggerirne per la prima volta l’esistenza fu Enrico Fermi, che battezzò così una particella allora soltanto teorizzata ma non osservata sperimentalmente. Doveva esistere, secondo gli scienziati, perché altrimenti la meccanica del decadimento radioattivo aveva qualcosa di sbagliato: quando un nucleo atomico radioattivo decade, produce infatti un’energia che all’epoca non si capiva bene da cosa fosse veicolata. Doveva trattarsi di una particella priva di massa dotata solo di una certa quantità di energia. Trovarla non fu facile: essendo priva di massa, non interagiva facilmente con il resto della materia. In effetti i neutrini viaggiano nell’universo superando qualsiasi barriera: passano all’interno del nostro corpo senza lasciare traccia, penetrano la Terra senza fermarsi nella loro folle corsa verso l’infinito. È stato calcolato che un neutrino dovrebbe sfrecciare all’interno di un blocco di piombo spesso 100 anni luce prima di avere solo il 50% di probabilità di fermarsi, interagendo con una particella dotata di massa e venendo da essa assorbito. Non c’è da stupirsi che la caccia al neutrino abbia costretto gli scienziati a fare salti mortali. I laboratori del Gran Sasso si trovano in profondità sotto la roccia perché in questo modo tutte le altre particelle dell’universo vengono fermate dal suolo terrestre tranne i neutrini, che penetrano il terreno e giungono fino ai rilevatori costruiti dai fisici. Un altro italiano, Bruno Pontecorvo, suggerì un metodo per individuare l’esistenza dei neutrini. Nelle profondità del sottosuolo del South Dakota, nel 1968, fu posto un enorme serbatoio riempito con 400.000 litri di tetracloroetilene. 

Si tratta di un composto organico costituito principalmente dall’isotopo Cloro-37, così detto perché costituto da 17 protoni e 20 neutroni (la loro somma costituite il “peso atomico” di un atomo). Se un neutrino si scontra con uno dei neutroni di Cloro-37, il fortunato neutrone decade emettendo un elettrone e trasformandosi in un protone. Quello che ne deriva è un nuovo atomo, costituito ora da 18 protoni e 19 neutroni: l’Argo-37. Raccogliendo nel serbatoio i neutrini prodotti dal Sole, fu possibile osservare che una minuscola ma sperimentalmente significativa quantità di Cloro-37 si era trasformata in Argo grazie all’interazione con i neutrini. Da allora, sappiamo che esistono.

Ma la storia non finì lì. Infatti si scoprì, con grande stupore degli scienziati, che il neutrino, dopo tutto, ha una massa. Nel 1980 un primo esperimento compiuto a Mosca portò ad annunciare che il neutrino possiede una massa di 45 eV (elettronvolt). Questo risultato è stato successivamente messo in discussione: verifiche sperimentali ne hanno significativamente abbassato il valore, che oggi risulta compreso tra 1 e 2 eV. Una massa così insignificante, fino a un milione di volte inferiore a quella dell’elettrone, che è la particella atomica più leggera, è talmente elusiva che ancora non si può dire con certezza che il neutrino abbia davvero una massa. 

E qui arriviamo alle sorprendenti conseguenze derivanti dalla scoperta del Cern-Gran Sasso.
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