Quest’anno si celebra il centenario della nascita di Ettore Majorana. Un fisico noto al grande pubblico anche grazie alla sua misteriosa scomparsa avvenuta la sera del 25 marzo 1938, quando lo scienziato siciliano, dopo essere sceso dal traghetto postale, che da Napoli lo aveva portato fino a Palermo, non fece avere piú sue notizie.
Nella sua breve carriera di fisico, Majorana si distinse per il suo genio unanimemente riconosciuto da tutti i suoi colleghi, ma anche per il carattere schivo e riservato che contribuí ad aumentare l’alone di mistero che ancora oggi, a quasi settant’anni dalla sua scomparsa, avvolge il personaggio.
Uno dei suoi lavori più importanti è certamente la Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone, pubblicato nel 1937, sebbene i risultati della teoria gli fossero chiari già nel 1932. In questo lavoro Majorana trova una particolare formulazione delle matrici di Dirac che gli permette di identificare una nuova particella priva di carica elettrica che non é fisicamente distinguibile dalla sua antiparticella. Mentre il neutrone, pur essendo elettricamente neutro, non rientra in questo tipo di soluzione, il neutrino invece soddisfa tutti i requisiti richiesti. Accanto ai neutrini di Dirac, in cui la particella e l’antiparticella sono due entità distinte, fanno la loro apparizione i neutrini di Majorana, aventi la peculiare caratteristica di coincidere con la propria antiparticella. Un´altra proprietá fondamentale del neutrino di Majorana è data dal fatto che la sua massa a riposo deve essere diversa da zero, a differenza di quella del neutrino di Dirac che invece è esattamente nulla.
L’ipotesi del neutrino fu introdotta da W. Pauli per spiegare lo spettro continuo della radiazione β. Per salvare i principi della conservazione dell’energia, della quantità di moto e del momento angolare, egli ipotizzó che nel decadimento del neutrone in un protone ed in un elettrone (quest’ultimo viene espulso dal nucleo e costituisce la radiazione β), dovesse essere emessa anche una particella elettricamente neutra e di massa nulla. Il neutrino trovò una collocazione coerente e organica nella teoria delle interazioni deboli elaborata da Enrico Fermi.
Nel 1939 F. Furry stabilí che l´esistenza del neutrino di Majorana implicava la possibilitá che si verificasse un processo che battezzó con il nome di doppio decadimento beta. L´ordinario decadimento beta del neutrone produce un protone, un elettrone ed un antineutrino dell’elettrone. È tuttavia possibile anche una sorta di processo inverso: cioé se un neutrino dell’elettrone collide con un neutrone, vengono emessi un protone ed un elettrone. In base a quest´ultima trasformazione Furry sostenne che, se il neutrino e l’antineutrino sono la stessa particella, allora l’antineutrino prodotto dal primo decadimento beta potrebbe a sua volta (nelle vesti di un neutrino) collidere con un neutrone ed emettere un altro protone e un secondo elettrone. Complessivamente l’effetto del doppio decadimento beta è quello di trasformare due neutroni del nucleo in due protoni con l’emissione di due elettroni senza che alcun neutrino compaia al di fuori di questo processo.
Attualmente alcuni gruppi di ricerca in ambito internazionale stanno concentrando i loro sforzi nel tentativo di identificare con sicurezza il doppio decadimento beta per avere la prova definitiva dell’esistenza dei neutrini di Majorana. Le difficoltà tecnologiche da superare sono notevoli in quanto è necessario filtrare tutti i processi che in qualche modo possono imitare il doppio decadimento beta.
Nel laboratorio dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) del Gran Sasso i ricercatori dell´esperimento Heidelberg-Moscow hanno pubblicato nel 2001 la notizia di aver identificato alcuni eventi di doppio decadimento beta che attribuirebbero al neutrino una massa non superiore ai 0.3 eV, cioé piú di un milione di volte inferiore a quella dell´elettrone. I ricercatori si sono focalizzati sul processo di decadimento del 76Ge che si trasforma nel 76Se emettendo due elettroni la cui energia totale corrisponde esattamente alla differenza di massa-energia tra l’isobaro padre (il 76Ge) e quello figlio (il 76Se), come previsto dalla teoria.
C’è ancora molta cautela nella interpretazione di questi dati poiché è necessario avere la certezza che gli eventi misurati non siano frutto di fluttuazioni statistiche di altri processi non legati al doppio decadimento beta. Per questo motivo alla fine del 2004 l´INFN ha approvato la realizzazione dell´esperimento GERDA dove verranno utilizzati dei rivelatori a Germanio arricchito. Infatti il Germanio naturale contiene solamente circa l´8% di 76Ge. Per poterlo utilizzare efficacemente nell´esperimento, deve essere arricchito mediante un opportuno procedimento fino ad ottenere una percentuale pari al 86% di 76Ge.
I rivelatori al Germanio verranno posti in un contenitore di rame di forma sferica di 2 metri di diametro. Tale sfera conterrá anche azoto liquido che ha il compito di mantenere molto bassa la temperatura dei rivelatori (-195°C), che in tali condizioni manifestano un funzionamento ottimale e sono schermati dalla radioattivitá naturale. A sua volta la sfera di rame sará immersa in un´altra sfera di 3 metri di diametro contenente dell´acqua molto pura che ha il ruolo di schermare ulteriormente le radiazioni. Nella prima fase dell´esperimento verranno utilizzati dei rivelatori arricchiti al 76Ge per una quantitá complessiva di 20 kg. Successivamente questa verrá incrementata fino a 100 kg in modo tale da abbassare la soglia di investigazione della massa del neutrino fino a 0.09 eV. L´obiettivo finale é quello di utilizzare un quantitativo di Ge pari a 500 kg, che permetterebbe di raggiungere il limite di 0.01 eV!
Se il neutrino di Majorana esiste, possedendo una massa a riposo non nulla, potrebbe fornire un contributo determinante alla cosiddetta massa mancante o oscura che a livello cosmologico ha un’importanza fondamentale per determinare il destino dell’Universo in cui viviamo.
Le geniali intuizioni di Ettore Majorana rimangono quindi ancora oggi di grande interesse per le loro importanti implicazioni non solo nell’ambito della fisica delle particelle, ma anche nella elaborazione delle moderne teorie cosmologiche.
