Per cominciare, qualche parola di introduzione sui neutrini. Queste particelle sono, fra quelle la cui esistenza è accertata sulla base di chiare indicazioni sperimentali, le più elusive, dato che la loro interazione con il resto della materia è molto debole. Infatti, se si trascura per un momento il fatto che sono dotate di una massa (molto piccola, in ogni caso), e quindi interagiscono gravitazionalmente, la loro unica carica, cioè la qualità che determina un'eventuale interazione con altre particelle, è quella detta debole. La carica debole è quella associata all'interazione debole, che fra le quattro interazioni fondamentali è la penultima per intensità, più forte solo dell'interazione gravitazionale.

Ora, il punto è che l'osservazione sperimentale di una particella elementare richiede necessariamente che questa venga fatta interagire con qualche altra particella: si fanno urtare le particelle cui si è interessati con altre, si rivelano i prodotti di questo urto e da ciò si ricavano le informazioni cercate. È chiaro da quanto ho detto all'inizio che, nel caso dei neutrini, da un lato è difficile indurli a interagire con altre particelle, dall'altro, se i prodotti dell'urto non sono particelle facili da rivelare non si riesce comunque ad ottenere l'informazione voluta.

Ecco perché per esempio, un processo come un urto fra due neutrini, che non produca particelle diverse dai neutrini stessi (processo che è possibile da un punto di vista puramente teorico) non è accessibile all'indagine sperimentale, almeno in maniera diretta. È possibile, invece, porsi l'obiettivo di realizzare sperimentalmente un urto tra un fascio di neutrini e un bersaglio di materia: questo costituisce, per esempio, l'ambiziosa finalità del progetto CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso), in cui i neutrini, prodotti ai laboratori del CERN di Ginevra, verranno inviati verso i laboratori del Gran Sasso in Italia, a 730 km di distanza, per essere qui rivelati attraverso la loro interazione con rivelatori sotterranei, in un ambiente in cui il disturbo provocato dalla presenza di altre particelle sia minimo. In questo modo, si spera di investigare su un effetto, detto oscillazione dei neutrini, che è dovuto al fatto che essi hanno una massa diversa da zero: esistono tre tipi di neutrini, che sono accoppiati ai tre letptoni carichi (elettrone, muone e tau) e, se le tre masse non sono uguali, un neutrino di un certo tipo più trasformarsi in uno di un altro nel corso dell'evoluzione temporale.

In ogni caso, e questo risponde alle prime due domande, l'interazione di neutrini fra loro o con materia elettricamente carica produce altre particelle, che possono essere: neutrini, leptoni carichi (elettroni, muoni o tau) o quarks (che sono i costituenti di protoni e neutroni, e, più in generale, di quelle particelle che sono chiamate adroni).

Proprio i quarks entrano nella risposta all'ultima domanda posta: sappiamo che i nuclei atomici sono costituiti da protoni, elettricamente positivi, e neutroni, di carica elettrica nulla. Sulla base della semplice interazione elettromagnetica si sarebbe portati a pensare, dunque, che i protoni non possano essere confinati in un nucleo, a causa della repulsione elettrostatica. Il fatto è che i quarks, che sono i costituenti dei protoni e dei neutroni (collettivamente detti nucleoni), oltre alla carica elettrica portano un altro tipo di carica, detta di colore che produce un altro tipo di interazione, detta forte. Mentre, come ho detto sopra, l'interazione debole è la penultima per intensità, quella forte è la più intensa in assoluto. Il risultato finale è che la forza attrattiva a corta distanza fra i nucleoni dovuta all'interazione forte domina sulla repulsione elettrostatica e impedisce ai nuclei di esplodere.

Un'ultima informazione sulle interazioni dei neutrini: urti tra neutrini e materia ordinaria (fatta di nucleoni ed elettroni) avvengono continuamente tutto attorno a noi. Infatti, noi siamo sottoposti al "bombardamento" delle particelle che arrivano sulla terra dallo spazio, i cosiddetti raggi cosmici, che comprendono anche neutrini. La probabilitá che questi interagiscano con la materia cresce al crescere della loro energia: questo fa sÏ che, mentre è estremamente improbabile che un neutrino di altissima energia che arriva dalla direzione orizzontale (e quindi attraversa uno spessore di atmosfera dell'ordine di 300 km) interagisca con l'aria (che dunque è a tutti gli effetti trasparente per esso), un tale neutrino vedrà la terra come un oggetto opaco: sotto opportune condizioni ci si aspetta, allora, che neutrini che provengono dal nadir (cioè da sotto i nostri piedi...) producano uno sciame di particelle secondarie, in principio rivelabili.

È questo l'obiettivo di una serie di esperimenti detti di Neutrino Telescope (Telescopi a Neutrini) che, a differenza degli usuali telescopi ottici che guardano verso l'alto, perseguono l'obiettivo di osservare le sorgenti extraterrestri guardando in basso, attraverso il filtro della terra. A una energia ancora più grande, neutrini di tipo tau possono produrre sciami atmosferici che si sviluppano dal basso verso l'alto e che potrebbero essere rivelati in un esperimento di superficie. Un tale esperimento Ë in costruzione (ma sta già raccogliendo dati sugli sciami atmosferici) nella pampa argentina: è il Pierre Auger Observatory, frutto di una collaborazione internazionale che comprende più di 20 nazioni, fra cui anche l'Italia.