Quanto incide il neutrino sul peso dell’Universo? Un solo neutrino molto poco, ma di neutrini ce ne sono un numero impressionante, in giro: solo di quelli prodotti nel Big Bang e che da allora girano per l’Universo ce ne sono centinaia a centimetro cubo. E il numero di centimetri cubi, nell’Universo, non è tanto piccolo. Le misurazioni dirette della massa del neutrino sono molto difficili, ma osservando il cosmo su larga scala si possono porre degli interessanti limiti: se la massa* del neutrino fosse più alta di 25eV (un ventimillesimo della massa di un elettrone, che a sua volta è un duemillesimo della massa di un protone o di un neutrone), il contributo alla materia oscura da parte dei neutrini sarebbe superiore al 100%!

La struttura delle galassie, però, ci dice molto di più: i neutrini hanno un’energia piccolissima, ma sufficiente a farli viaggiare a una velocità molto vicina a quella della luce. In queste condizioni si parla di materia oscura relativistica, che contribuisce in modo molto diverso all’agglomerazione di stelle e galassie rispetto alla materia “lenta”. Per far sì che le galassie siano come le vediamo, la massa del neutrino deve essere molto più piccola, dell’ordine di 1eV. Finora, le misure che sono state effettuate, integrando esperimenti di fisica delle particelle in laboratorio e osservazioni astronomiche, avevano indicato che le masse dovessero essere molto al di sotto di questo limite: sommando la massa di un neutrino per ciascun tipo di neutrino esistente (sui vari tipi di neutrini ci sarebbe da aprire un capitolo molto lungo, diciamo solo che ce ne sono tre o quattro famiglie, che interagiscono pochissimo o quasi nulla con la materia di cui siamo fatti) si dovrebbe ottenere un numero intorno a 0,06eV.

Recentissimamente un nuovo limite è stato proposto da due astrofisici britannici, Richard Battye e Adam Moss, che hanno studiato in dettaglio le mappe della radiazione cosmica di fondo misurate dal satellite Planck. La radiazione cosmica di fondo è un mare di onde elettromagnetiche presente in tutto l’Universo, a energia molto bassa, che viene interpretata come il “bagliore” del Big Bang, reso debolissimo dall’espansione dell’Universo nei miliardi di anni che sono trascorsi da allora. Questa radiazione è straordinariamente isotropa, ovvero ha le stesse caratteristiche in qualunque direzioni si guardi, tranne che per una leggera modulazione, come se ci stessimo muovendo rispetto a essa, e alcune piccole disomogeneità legate alla distribuzione delle galassie.

La mappa della radiazione cosmica di fondo dell’esperimento Planck in cui sono state evidenziate le disomogeneità su larga scala (immagine ESA/Planck)

Proprio lo studio dettagliato dell’effetto di lente gravitazionale intorno alle galassie lontane, insieme con le “increspature” nella radiazione cosmica di fondo, hanno portato i due scienziati britannici a calcolare nuove dinamiche di formazione delle galassie lontane: secondo i loro calcoli, è possibile riconciliare queste osservazioni cosmologiche assumendo che la somma delle masse non sia pari a 0,06eV, bensì ad un valore significativamente più alto: 0,32eV. La differenza sembra piccola, ma ha un impatto enorme sui nostri modelli cosmologici, sempre ovviamente che questi risultati siano confermati: il contributo alla massa totale dell’Universo da parte dei neutrini è vicino allo 0,5% del totale, cinque volte più di quello che si credeva fino a qualche giorno fa. Per confronto, il contributo di tutta la materia visibile, stelle, galassie, quasar e qualunque altra cosa ci venga in mente, si aggira intorno al 4%.

Inoltre, il problema più grande per la misura diretta della massa del neutrino è che questa è molto piccola: scoprire che per almeno una famiglia di neutrini questa è cinque** volte più grande di quello che ci si aspettava è un’ottima notizia per molti fisici delle particelle impegnati in questo tipo di esperimenti.

Anche se ipotizzati per la prima volta oltre ottant’anni fa e osservati sperimentalmente quasi sessant’anni fa, i neutrini continuano a essere i più misteriosi componenti della materia che ci circonda, benché coinvolti in fenomeni molto diversi e a scale estremamente diverse, dai decadimenti di particelle subatomiche alla dinamica dell’Universo nel suo complesso.

* Per le particelle elementari si utilizza normalmente l’elettronVolt (eV) come unità di massa, anche se nasce come unità di energia: 1eV è l’energia cinetica che acquista un elettrone quando viene accelerato da una differenza di potenziale elettrico di 1 Volt. La sua conversione in unità di massa si realizza con un’opportuna scelta dell’unità di misura per la velocità della luce: in questo modo abbiamo che un eV corrisponde a circa un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di grammo (1eV ≈ 1,78•10^-33g).

** Per motivi che sfuggono allo scrivente, il fattore 5 del paragrafo precedente si era magicamente trasformato in 50 in questo. Mi scuso per l’errore e ringrazio Andrea per avermelo fatto notare!