oscillazioni di neutrino

Nel Modello Standard, la attuale teoria unificatrice delle forze elettromagnetiche e deboli, i neutrini sono descritti quali particelle neutre, soggette ad interazioni deboli e prive di massa. Quest'ultima proprietà tuttavia non è richiesta in modo stringente dalla teoria ma è piuttosto una assunzione che rispetta i vincoli imposti dalle osservazioni sperimentali. Le recenti teorie di Grande Unificazione, che prevedono l'allargamento del Modello Standard per comprendere in modo organico anche le interazioni forti, e una serie di risultati cosmologici sull'interpretazione della materia oscura necessaria a bilanciare il disavanzo di massa nell'universo, richiedono invece che i neutrini, sebbene leggeri, siano dotati di massa non nulla. In questa ipotesi si può dimostrare con semplici argomentazioni di meccanica quantistica che i neutrini possono subire transizioni periodiche tra lo stato in cui sono stati prodotti (autostato di interazione debole, ad esempio nm) verso gli altri stati (ad esempio ne o nt). Si dice pertanto che i neutrini oscillano tra stati di differente sapore. La probabilità, P, di transizione dipende da due parametri fisici, la differenza tra le masse dei neutrini (Dm^2) e l'angolo di mixing (sin2 2q), e da due parametri sperimentali, l'energia En del neutrino e la distanza L alla quale si rivela il neutrino rispetto al punto di produzione: pertanto l'osservazione sperimentale di un numero di neutrini (rivelati mediante la loro interazione nel rivelatore) diverso da quello aspettato nell'ipotesi di non oscillazione implica come conseguenza che i neutrini siano dotati di massa non nulla. Ovviamente al fine di effettuare un esperimento accurato occorre conoscere con precisione i suddetti parametri sperimentali (En ed L) e la natura ed il numero dei neutrini prodotti alla sorgente. Attualmente le sorgenti di neutrini utilizzate in esperimenti di oscillazione sono quella solare, che produce neutrini-elettrone di bassa energia (Emax=15 MeV), quella atmosferica, che produce nm e ne, in proporzioni note, dall'interazione dei raggi cosmici nell'atmosfera terrestre, con energie di alcune centinaia di MeV, e quella artificiale, presso i grandi acceleratori di particelle, che consentono di produrre fasci di neutrini (essenzialmente nm) di alta energia (dell'ordine delle decine di GeV). L'esperimento ICARUS è adatto alla rivelazione di neutrini da tutte queste diverse sorgenti sfruttando la grande massa bersaglio rappresentata dall'argon liquido e la capacità, propria della tecnica precedentemente descritta, di ricostrure tanto la natura del neutrino incidente quanto la sua energia e direzione. Il rivelatore intermedio, per come è stato disegnato, risulta particolarmente adatto allo studio degli eventi di più bassa energia ossia quelli da interazione di neutrini solari. Tale rivelatore infatti è in grado di rivelare e distinguere le interazioni dei neutrini solari con gli elettroni dell'argon (urto elastico) rispetto a quelle che possono avvenire sui nuclei di argon (assorbimento). È possibile dimostrare che il rapporto tra il numero di eventi registrati di un tipo di reazione rispetto all'altra fornisce una misura diretta della probabilità di oscillazione e quindi con essa indicazioni precise sui parametri fisici incogniti. I risultati forniti dagli esperimenti attuali sui neutrini di origine solare sono indicano in modo ormai pressochè definitivo la validità dell'ipotesi di oscillazione. È pertanto considerata esigenza improrogabile quella di investigare a fondo e con tecniche sperimentali nuove e più avanzate sul problema dei neutrini solari: il rivelatore intermedio ICARUS è candidato a fornire indicazioni conclusive su ntale fenomeno, raggiungibile in tempi relativamente ristretti e trova in questa una delle maggiori motivazioni scientifiche che hanno sostenuto la decisione di una sua immediata realizzazione.
	Il rivelatore ICARUS nella sua fase finale con 3000 ton di massa è invece in grado di consentire studi di alta precisione e su grande statistica preferenzialmente sui neutrini atmosferici e su quelli da fascio. In relazione a quest'ultimo caso risulta di particolare interesse la possibilità di realizzare con ICARUS un esperimento di oscillazioni su long- baseline.
A tale riguardo, come precedentemente accennato, è in fase di realizzazione al CERN il progetto CNGS di un fascio di neutrini diretto verso i Laboratori sotterranei del Gran Sasso [1], vedi figura. La distanza di oltre 700 Km tra CERN e Gran Sasso consente di incrementare la probabilità di oscillazione P ben al di là di quanto fino ad ora raggiunto nei tradizionali esperimenti di oscillazione con fasci di neutrini (short-baseline, L circa 1Km). Inoltre la realizzazione di tale progetto consentirebbe di stabilire uno stretto e duraturo legame di cooperazione scientifica tra CERN e Gran sasso, ossia tra due dei maggiori Laboratori scientifici europei. Lo studio dei neutrini atmosferici e di quelli da fascio long-baseline sono tra loro complementari e, come dimostrato da accurate analisi di simulazione, dovrebbero estendere considerevolmente i limiti sui parametri fisici (Dm^2 e sin^2 2q) raggiunti dagli attuali esperimenti ed eventualmente consentirne una misura diretta.
[1] A. E. Ball et al., "CERN Beams for Long-Baseline Neutrino Oscillation Expeririments", CERN-SL/92-75 (1992). F. Cavanna, "The CERN-Gran Sasso long-baseline neutrino project", CERN-PPE/95-133 (1995). G. Acquistapace et al., "The CERN neutrino beam to Gran Sasso (NGS); conceptual and technical design", CERN-98-02 and INFN-AE-98-05, (1998).