Il neutrino è forse una delle particelle più elusive nel nostro universo eppure ne siamo circondati e bombardati ogni secondo. All’interno dei Laboratori del Gran Sasso lo studio delle proprietà dei neutrini è stato fin dagli albori una delle ricerche di punta. La misura delle caratteristiche particolari della propagazione del neutrino (oscillazioni del neutrino), lo studio delle informazioni che i neutrini ci portano da oggetti celesti vicini e lontani (astronomia con neutrini) e lo studio delle caratteristiche intrinseche peculiari di questa particella (Doppio Decadimento Beta e neutrino di Majorana) sono ricerche fondamentali che caratterizzano da anni la vivace attività scientifica nei laboratori sotterranei.
Tra tutte le branche dell’astronomia, quella che studia e utilizza i neutrini ha caratteristiche uniche e sorprendenti. Infatti, l'enorme potere penetrante di questa radiazione permette di esplorare il nucleo del sole, sede delle reazioni nucleari che forniscono l'energia solare che osserviamo sotto forma di luce.
Presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso sono stai svolti alcuni degli esperimenti pionieristici in questo campo. L’esperimento GALLEX (1991-1997) per la misura del flusso dei neutrini solari è stato uno degli apripista a livello mondiale della moderna astronomia con neutrini.
In anni recenti i Laboratori del Gran Sasso hanno mantenuto la loro leadership in questo campo. L’esperimento Borexino nel 2014 ha osservato, primo al mondo, i neutrini di più bassa energia generati dalle reazioni di fusione di protoni nel nucleo del sole. Questi costituiscono la maggioranza dei neutrini prodotti e sono direttamente legati all’energia che viene irradiata dal sole. Il sole ha un’importanza speciale in astronomia, essendo la stella a noi più prossima ed il banco di prova su cui verificare la validità delle nostre conoscenze. I telescopi di neutrini, (come il Large Volume Detector (LVD) e lo stesso Borexino), sono in grado di osservare gli ultimi istanti di vita delle più grandi stelle della nostra galassia, quando collassano sotto il proprio peso, producendo un oggetto stellare compatto (come una stella di neutroni, un buco nero o forse una stella di quark). Stiamo parlando delle cosiddette supernove a collasso gravitazionale.
Sono proprio i neutrini, infatti, a permettere alla stella di rilasciare l'enorme eccesso di energia, che vale il 10 - 20% dell'intera massa dell'oggetto compatto. Una caratteristica unica dei telescopi ospitati presso i Laboratori del Gran Sasso è la capacità di misurare neutrini di tutti i tipi, dovuta alle speciali reazioni dei neutrini emessi da queste stelle con i nuclei che compongono questi telescopi. Quanto detto assume ancora maggior rilevanza se si pensa che l'astronomia di neutrino è una disciplina giovane ed in rapida evoluzione. Per citare un unico ma importante esempio, ricordiamo che l'osservazione quantitativa dei neutrini ha fornito le uniche prove solide al momento della esistenza di fisica oltre in modello standard delle particelle elementari. La scoperta delle oscillazioni dei neutrini, a cui hanno partecipato tra gli altri gli esperimenti MACRO, Gallex, GNO, OPERA, Icarus e Borexino, tutti ospitati nei Laboratori nazionali del Gran Sasso, ha aperto la strada a misure di precisione sulla natura e i comportamenti di questa elusiva particella.
Lo studio delle proprietà intrinseche del neutrino è un argomento di primario interesse per la fisica delle particelle elementari. Uno dei risultati di maggior interesse degli ultimi dieci anni è stato l’evidenza, attraverso la misura del fenomeno delle oscillazioni dei neutrini, che essi hanno una massa diversa da zero ancorché molto piccola. Con Oscillazione del neutrino si descrive la sua caratteristica di cambiare, quando si muove nello spazio, la sua capacità di interagire unicamente con una delle tre particelle dette leptoni carichi (l’elettrone, il muone o il tau). In altre parole un neutrino che quando è prodotto, ad esempio nel sole, può interagire solo con un elettrone una volta arrivato sulla terra può aver cambiato condizione (una proprietà chiamata sapore leptonico) ed ignorare completamente gli elettroni per interagire solo con muoni o tau. Per conoscere esattamente e completamente il meccanismo dell’oscillazione attraverso cui un neutrino di un tipo si trasforma in un altro, è stato necessario ricorrere a varie sorgenti di neutrini sia provenienti dal Sole o dalle stelle e sia da acceleratori di particelle, cioè artificiali.
A completare questo quadro la scoperta di un fenomeno noto come doppio decadimento beta (ricercato dagli esperimenti GERDA, CUORE e Lucifer) senza emissione di neutrini non solo darebbe ragione al famoso scienziato Ettore Majorana quasi un secolo dopo la postulazione della sua teoria ma avrebbe importanti conseguenze nel modello che descrive le interazioni fondamentali. Questo non solo implicherebe che il neutrino coincide con la sua antiparticella, ma implicherebbe importanti conseguenze per l’evoluzione dell’universo.
La fisica del neutrino è quindi una finestra verso una nuova teoria delle particelle elementari ed insieme sulla comprensione dell’evoluzione dell’Universo; una finestra sulla conoscenza dell’infinitamente piccolo e dell’infinitamente grande.
Data la sfuggevolezza dei neutrini, ovvero la loro scarsa propensione ad interagire con la materia, per studiarne le proprietà è necessario avvalersi di rivelatori di massa estremamente grande e lavorare in un ambiente a bassissima radioattività naturale, e schermati dalla radiazione proveniente dal cosmo, quindi in un ambiente sotterraneo.