I pioni non decadono in neutrini superluminali

L'esperimento IceCube nell'Antartide fornisce un controllo sperimentale ai calcoli teorici di Cowsik secondo i quali i neutrini di alta energia si dovrebbero rivelare solamente se i neutrini superluminali non esistono. Ma dato che IceCube sta osservando neutrini di alta energia, allora ci deve essere qualcosa di sbagliato con l'ipotesi dei neutrini superluminali. Credit: ICE.WUSTL.EDU / Pete Guest

Di recente, un gruppo di fisici delle particelle sono stati i protagonisti dei media perchè hanno messo crisi la teoria della relatività speciale affermando di aver osservato per la prima volta 'neutrini superluminali', cioè particelle che si muoverebbero più velocemente dei fotoni. Questi scienziati hanno chiesto alla comunità scientifica di controllare ancora una volta i loro dati per verificare se ciò che essi hanno trovato sia effettivamente vero o che non si tratti banalmente di errori sperimentali.

Il primo a rispondere a questa richiesta è stato il professore di fisica Ramanath Cowsik del McDonnell Center for the Space Sciences presso la Washington University a St. Louis. Come ho già scritto in un due recenti post (vedasi post 1; post 2), i risultati dell'esperimento OPERA indicano che nella 'gara' di velocità tra neutrini e fotoni, che hanno viaggiato sottoterra per una distanza di circa 730Km dal Cern di Ginevra fino ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italia, i neutrini avrebbero impiegato 60 nanosecondi meno rispetto ai fotoni, tagliando così per primi il traguardo. Ora, secondo il modello standard, sappiamo che i neutrini hanno una massa molto piccola ma comunque diversa da zero. Ciò implica che in accordo con la relatività speciale, qualsiasi particella che possiede massa non può viaggiare alla velocità della luce né addirittura superarla, perciò queste particelle esotiche, i presunti neutrini superluminali, non dovrebbero esistere. I neutrini dell'esperimento OPERA sono stati creati facendo collidere protoni verso un obiettivo fissato, un processo che produce un impulso di pioni, cioè particelle instabili che vengono magneticamente focalizzate all'interno di un tunnel dove poi decadono, cioè si trasformano, in muoni e neutrini. I muoni vengono bloccati alla fine del tunnel mentre i neutrini, che passano attraverso la materia come fantasmi che passano attraverso i muri, superano la barriera protettiva e si dirigono verso i rivelatori del Gran Sasso. "Abbiamo studiato dettagliatamente questo processo per capire se i pioni decadono producendo neutrini superluminali" spiega Cowsik. I neutrini dell'esperimento OPERA avevano una energia pari a 17 GeV. "Essi erano dotati si di una grande quantità di energia e una massa molto piccola perciò si sono propagati con velocità elevate" dice Cowsik. Ma il problema rimane quello di capire se effettivamente i neutrini si sono spostati tra i due laboratori viaggiando con una velocità superiore a quella della luce. "Se i neutrini prodotti dal processo di decadimento dei pioni si propagassero con una velocità superiore a quella della luce, il tempo di vita medio dei pioni dovrebbe essere più lungo e i neutrini dovrebbero trasportare una piccola frazione dell'energia condivisa dal neutrino e dal muone" spiega ancora Cowsik. "In più c'è da dire che queste difficoltà aumentano se l'energia del pione aumenta. In altre parole, per quanto al momento ne sappiamo, è molto complicato produrre neutrini superluminali".

L'esperimento IceCube osserva neutrini le cui energie sono circa 10 mila volte superiori rispetto a quelle dell'esperimento OPERA. "Questo implica che le corrispondenti energie associate ai pioni sono estremamente elevate. Da semplici calcoli si evince che il tempo di vita medio di questi pioni sia necessariamente troppo lungo per far sì che queste particelle si trasformino in neutrini superluminali. Tuttavia, dagli esperimenti di IceCube si trova che i pioni di alta energia decadono effettivamente in neutrini le cui velocità sono, però, prossime a quelle della luce ma mai la superano. Anche gli stessi Andrew Cohen e Sheldon Glashow hanno affermato in un articolo che eventuali neutrini superluminali irradiarebbero la loro energia molto rapidamente sottoforma di coppie elettroni-positroni e quindi rallenterebbero (post)" conclude Cowsik.

Nonostante i fisici dell'esperimento OPERA non abbiano trovato particolari anomalie nei loro dati e abbiano condotto una serie di analisi approfondite per cercare di eliminare eventuali errori, essi avevano comunque un dovere etico di pubblicare i risultati dei loro esperimenti in modo che la comunità scientifica potesse dare il proprio contributo per eliminare queste difficoltà sperimentali [articolo scientifico].