I Laboratori del Gran Sasso sono per estensione e tecnologia i laboratori sotterranei più avanzati nel panorama della ricerca mondiale e lo studio delle proprietà dei neutrini rappresenta uno dei principali temi di ricerca.
La collaborazione internazionale Opera è stata inaugurata nel 2006, con l'obiettivo principale di studiare l’oscillazione dei neutrini, cioè la trasformazione del neutrino muonico in neutrino
tauonico. Con il programma CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso), completato nel 2005, una sorgente di neutrini muonici dal CERN di Ginevra viene proiettata verso i rilevatori installati nei Laboratori del Gran Sasso, attraverso un viaggio sotterraneo di 730 km da Ginevra a L'Aquila in linea retta: i neutrini interagiscono molto raramente con la materia, possono infatti attraversare praticamente indisturbati enormi spessori di qualsiasi materiale. Nei laboratori del Gran Sasso il rilevatore permette il riconoscimento delle eventuali particelle tau prodotte: la loro presenza segnalerebbe che l'interazione osservata è dovuta ad un neutrino di tipo tau. Il primo di questi eventi è stato osservato nel 2010, dimostrando la capacità unica di questo esperimento nella rilevazione del segnale sfuggente dei neutrini tau.
Tuttavia, come spesso accade nella ricerca scientifica, l’esperimento, che cercava tutt’altro, ha permesso di rilevare un fenomeno sorprendente e inaspettato.
Il risultato ottenuto riguarda la velocità del fascio di neutrini emesso dal Cern. I neutrini arrivano al Gran Sasso con un anticipo 60 nanosecondi rispetto alla velocità della luce, impiegando 2,4 millisecondi per coprire la distanza, battendo i 300.000 chilometri al secondo ai quali viaggia la luce, il limite della veloc
ità nel cosmo.
Il risultato ottenuto è basato su oltre 15mila eventi registrati dal rivelatore dei Laboratori dell’INFN.
Una vera e propria sorpresa, il cui potenziale impatto sulla scienza è troppo grande per trarre conclusioni immediate o tentare interpretazioni, come ha affermato Antonio Ereditato, fisico italiano dell’Università di Berna e portavoce di Opera.
I risultati sono ora sottoposti a un attento esame da parte di un’ampia comunità della fisica delle particelle; gli scienziati stanno analizzando tutte le possibili cause di errori sistematici, inoltre i dati saranno confrontati con quelli provenienti da altri esperimenti, in particolare è stata richiesta una verifica ai due gruppi di fisici che dispongono di esperimenti analoghi negli Stati Uniti e in Giappone.
La realizzazione di Opera è frutto di una collaborazione con esperti nel campo della metrologia del CERN e altre istituzioni. L’esperimento ha, infatti, richiesto una serie di misurazioni di alta precisione della distanza tra la sorgente e il rivelatore, e del tempo di volo dei neutrini.
La distanza tra l'origine del fascio di neutrini e Opera - 730 km - è stata misurata con un’incertezza di 20 centimetri; strumenti sofisticati come sistemi GPS e orologi atomici di altissima qualità hanno ridotto a 10 nanosecondi l’incertezza sul “tempo di volo” dei neutrini, quindi un sesto dei 60 nanosecondi di anticipo rilevati. Con grande precisione sono stati misurati anche i tempi di risposta di tut
ti gli elementi della linea di fascio CNGS e del rivelatore Opera. Inoltre la misura dei tempi tra il CERN e il Gran Sasso è stata sincronizzata con un'accuratezza al nanosecondo.
La precisione e la bassa incertezza delle misure portano i ricercatori a escludere errori sistematici, ma una verifica approfondita è necessaria, dal momento che se questa misura fosse confermata potrebbe cambiare la nostra visione della fisica. La conferma del risultato rappresenterebbe la prima importante violazione della teoria della relatività, e una grande sfida per i teorici.
Proprio per questo motivo gli stessi ricercatori del Cern invitano alla cautela, la velocità della luce è alla base di tutta la fisica delle interazioni fondamentali moderna. È una delle costanti su cui si basa la fisica, e in particolare, la teoria della Relatività Generale, la teoria formulata da Albert Einstein che spiega come si sia originato e sviluppato l'universo dal Big Bang ad oggi.
Negando questo fondamento si andrebbe incontro a una vera e propria rivoluzione della fisica, paragonabile a quella che ha portato dalla meccanica classica alla relatività.
Una possibile direzione potrebbe dunque essere quella di un’estensione della teoria di Einstein, una concezione che vada oltre la teoria einsteiniana, che rappresenterebbe quindi una situazione particolare nell'ambito di una teoria più vasta. Teorie del genere sono state proposte dai teorici delle stringhe, che prevedono un universo con molte dimensioni e diversi piani della realtà, nei quali la relatività non è altro che un caso particolare. In questo caso la violazione della velocità ristretta sarebbe
un indizio dell’esistenza di extra dimensioni.
Si entrerebbe dunque in un terreno sconosciuto della fisica nel quale si potrebbero incontrare nuove dimensioni o addirittura una nuova costante fondamentale dell'universo, come ha affermato Roberto Petronzio, presidente dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; l'anomalia osservata e presentata ai Laboratori del Gran Sasso potrebbe quindi riguardare le proprietà generali dello spazio-tempo.
Un’importante questione è stata posta da Carlo Rubbia, che ha osservato che nel 1987 i neutrini provenienti dalla supernova apparsa nella Grande Nube di Magellano, pur avendo viaggiato per 168 mila anni luce, arrivarono praticamente insieme con la luce della stella esplosa. Mentre, secondo i risultati dell’esperimento, l'osservazione dell'esplosione della stella avrebbe dovuto avvenire solo dopo la rilevazione dei neutrini.
Occorrono quindi riscontri e controprove e nei Laboratori del Gran Sasso gli scienziati si stanno organizzando per ripetere e perfezionare le misure. Alla misurazione della velocità delle particelle generate nel laboratorio di Ginevra oltre ad Opera potrebbero unirsi altri due rilevatori, Icarus e Borexino.