L'esperimento internazionale OPERA, costruito per osservare l'oscillazione di neutrini di tipo mu in neutrini di tipo tau, ha rivelato il quinto neutrino tau, dimostrando così l'avvenuta oscillazione.

In natura esistono tre tipi di neutrini: elettronico, muonico e tauonico. Essi sono elettricamente neutri e di massa estremamente piccola, a lungo ritenuta nulla. Nel 1957 il fisico italiano Bruno Pontecorvo elaborò una prima teoria secondo la quale queste particelle potevano oscillare, ovvero trasformarsi una nell'altra durante la loro propagazione.

Nel 1998 lo studio dei neutrini prodotti dai raggi cosmici nell'atmosfera dimostrò che i neutrini muonici arrivavano sulla Terra in numero ridotto rispetto a quelli attesi. Al contempo il numero di neutrini elettronici era invece consistente con le attese. Questa osservazione era un'evidenza del fenomeno di oscillazione e si ipotizzò che la sparizione dei neutrini muonici era dovuta alla loro trasformazione in neutrini tau. I rivelatori in funzione in quegli anni non erano in grado di rivelare i neutrini tau e, inoltre, i neutrini tau non erano ancora stati mai osservati: questo fenomeno era dunque un'ipotesi che doveva essere verificata sperimentalmente. Per osservare in modo diretto la trasformazione di neutrini muonici in neutrini tau, era necessario produrre un fascio di neutrini muonici e costruire, a opportuna distanza, un apparato in grado di poter catturare neutrini tau. Fu così ideato il progetto OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), la cui prima concezione alla fine degli anni novanta si deve a un gruppo di fisici delle Università di Napoli e Nagoya, allora guidati rispettivamente dal professore Paolo Strolin e dal professore Kimio Niwa¹.    

L'esperimento OPERA

Fu così costruito al CERN di Ginevra un fascio di neutrini muonici per inviarlo verso i laboratori sotterranei dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare del Gran Sasso in Italia dove fu costruito tra il 2003 e il 2007 l'apparato OPERA. "La difficoltà di osservare i neutrini tau è duplice:" - sottolinea il professore Giovanni De Lellis, dell'Università Federico II e dell'INFN di Napoli, dal 2012 a capo del team internazionale OPERA costituito da 140 fisici provenienti da 11 Paesi di Europa e Asia -  "tutti i neutrini, e dunque anche quello tau, hanno una bassissima probabilità di interagire con la materia e sono pertanto difficilissimi da catturare, condizione necessaria per poterli studiare; a ciò si aggiunge la peculiarità del neutrino tau di poter essere identificato attraverso l'osservazione del leptone tau prodotto, una particella che vive meno di un millesimo di miliardesimo di secondo e dunque, anche se viaggia quasi alla velocità della luce, percorre meno di un millimetro." Il rivelatore OPERA è un gigante di 4000 tonnellate, 2000 m³ di volume, costruito con nove milioni di film di emulsioni nucleari (pellicole fotografiche ultrasensibili) in grado di fornire la risoluzione micrometrica richiesta per osservare il tau. Oggigiorno queste pellicole sono analizzate con microscopi completamente automatici.

Il fascio del CERN ha inviato neutrini muonici al Gran Sasso dal 2008 al 2012. L'analisi dei dati è iniziata nel 2008 e nel 2010, proprio nel laboratorio di microscopia automatica di Napoli, fu trovato il primo neutrino tau². Altri neutrini tau sono stati osservati dall'esperimento negli anni successivi e lunedì 15 giugno è stata annunciata l'osservazione di un quinto evento presso i Laboratori del Gran Sasso in un seminario tenuto dal Prof. De Lellis. "La rivelazione del quinto neutrino tau è estremamente importante: l'osservazione diretta della transizione da neutrini muonici a tau ha ora raggiunto per la prima volta la precisione statistica di 5 sigma, il livello richiesto per una scoperta nella fisica delle particelle elementari", sottolinea De Lellis. "Possiamo dunque definitivamente annunciare la scoperta dell'apparizione di neutrini tau in un fascio di neutrini muonici."

Il fenomeno dell'oscillazione implica che i neutrini abbiano massa, diversamente da quanto previsto dal Modello Standard delle Interazioni Fondamentali: si apre dunque una prima finestra verso l'esplorazione di un mondo non ancora conosciuto. Gli studi sui neutrini tau continueranno perché De Lellis e colleghi hanno proposto un nuovo esperimento al CERN in grado di osservare alcune migliaia di neutrini tau e studiare così le proprietà del neutrino tau e della sua anti-particella, l'anti-neutrino tau, mai finora osservata.  

Gli sviluppi tecnologici realizzati a Napoli nel campo della microscopia automatica veloce di alta risoluzione aprono nuove frontiere anche per applicazioni nel campo della fisica medica e nello studio dei vulcani. Inoltre è in programma un esperimento proposto da De Lellis e colleghi per la ricerca della materia oscura con un approccio completamente innovativo in grado di misurare per la prima volta la direzione di provenienza galattica di queste particelle, sfruttando la risoluzione nanometrica raggiunta da queste nuove tecnologie.

¹A. Ereditato, K. Niwa and P. Strolin, Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 66 (1998) 423-427, doi:10.1016/S0920-5632(98)00079-6.

²N. Agafonova et al., Physics Letters B691 (2010) 138-145, doi:10.1016/j.physletb.2010.06.022