Bruno Pontecorvo e la particella di Majorana Francesco Guerra Dipartimento di Fisica Università di Roma La Sapienza & Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Congresso SIF SISSA, Trieste, Settembre 2013
Prima di delineare la sovrapposizione temporale dei percorsi di vita di Bruno Pontecorvo ed Ettore Majorana, vediamo Bruno Pontecorvo in uno dei suoi numerosi passaporti (è stato un grandissimo viaggiatore!):
Bruno Pontecorvo (nato a Marina di Pisa il 22 Agosto 1913), proveniente da Pisa, si iscrive al terzo anno del corso di Laurea in Matematica e Fisica presso l Università di Roma il 12 Maggio 1932. Si laurea con 110 e lode il 10 Novembre 1933. Inizia presto la sua attività di ricerca scientifica sperimentale presso l Istituto di Fisica di via Panisperna, occupandosi di problemi di spettroscopia atomica.
In particolare collabora alle ricerche di Emilio Segrè sull effetto Zeeman quadratico nella serie principale del Sodio, ricevendone i ringraziamenti, sia in una lettera alla Ricerca Scientifica datata 20 Marzo 1934 ( Ringraziamo il dott. B. Pontecorvo per il valido aiuto prestatoci in queste esperienze. ), sia in un articolo sul Nuovo Cimento del Maggio 1934 ( Ringraziamo il dott. B. Pontecorvo per il valido aiuto prestato. ). Inoltre collabora alle ricerche di Edoardo Amaldi ed Emilio Segrè sullo spostamento dei termini elevati delle serie di assorbimento del
Sodio e del Potassio per effetto di un gas estraneo (Idrogeno, Azoto, Elio, Argon), occupandosi in particolare delle bande di assorbimento dell idruro di Sodio nelle stesse condizioni sperimentali di Amaldi e Segrè, come viene riconosciuto nel lavoro sul Nuovo Cimento del Marzo 1934. Amaldi e Segrè avevano intenzione di investigare con il loro metodo anche l azione dei vapori metallici sullo spettro degli alcalini. Non proseguono però su questa ricerca, perché coinvolti nella collaborazione con Fermi sulla
radioattività indotta da bombardamento con neutroni. La scoperta di Fermi avviene il 20 Marzo 1934, ed è annunziata con una lettera alla Ricerca Scientifica datata 25 Marzo. La seconda Lettera di Fermi, che segue dopo un paio di settimane, già riconosce che per la parte fisica hanno collaborato i dott. E. Amaldi ed E. Segrè. La Lettera successiva (.III), del 10 Maggio, porta le firme di E. Amaldi, O. D Agostino,
E. Fermi, F. Rasetti, E. Segrè, e contiene già l ipotesi degli elementi transuranici. Pertanto Pontecorvo non viene coinvolto in questa prima fase delle ricerche nucleari, ma eredita la strumentazione spettroscopica di Amaldi e Segrè, e porta a compimento lo studio sperimentale dell azione dei vapori metallici (Mercurio) sullo spettro degli alcalini, pubblicando da solo i suoi risultati sui Rendiconti Lincei nel Luglio del 1934.
Dopo l estate Pontecorvo comincia a partecipare alle ricerche nucleari, diventando subito uno dei principali protagonisti, con Enrico Fermi, dell importantissima scoperta degli effetti del rallentamento dei neutroni. Prosegue poi in autonomia le ricerche sulla diffusione, rallentamento e assorbimento dei neutroni, fino alla sua partenza per Parigi nell Aprile 1936. Possiamo vedere quindi che c è una lunga sovrapposizione con Majorana dal 1931 al
1936, quando Majorana è coinvolto in ricerche sulla fisica atomica e molecolare, e poi sposta i suoi interessi verso le particelle elementari e la fisica nucleare nel 1932. Majorana però è a Lipsia e a Copenhagen dal Gennaio all Agosto 1933, e dopo questo soggiorno all estero cessa di frequentare assiduamente l Istituto.
il libretto universitario di Ettore Majorana
Naturalmente la sovrapposizione concettuale più importante tra l opera scientifica di Pontecorvo e quella di Majorana è costituita dal neutrino di Majorana. Ricordiamo qui che Pontecorvo è l uomo del neutrino, per le sue estese ricerche, tuttora attuali, sui metodi radiochimici per la rivelazione sperimentale dei neutrini, utilizzati effettivamente con successo dopo molti anni, e sulle oscillazioni dei neutrini, poi pienamente confermate sperimentalmente. Le
idee di Pontecorvo producono molti Premi Nobel, ma non per Pontecorvo. In un ben noto articolo sul Nuovo Cimento del 1937, Majorana formula la sua teoria simmetrica per l elettrone e il positrone in interazione con il campo elettromagnetico, che evita completamente l artificiosa introduzione del mare di Dirac. Un sottoprodotto della teoria simmetrica è la dimostrazione della possibile esistenza di particelle neutre di spin 1/2 identiche alle loro antiparticelle. Nelle parole di Majorana, viene costruita una teoria sostanzialmente nuova per le
particelle senza carica elettrica (neutroni e ipotetici neutrini). Anche all epoca l idea che il neutrone potesse essere una particella di Majorana, quindi identica alla sua antiparticella, è piuttosto azzardata, visto che il neutrone possiede un momento magnetico, per non dire poi del numero barionico (concetto chiaro solo nel seguito). Comunque il neutrino di Majorana è identico alla sua antiparticella, mentre nella formula-
zione di Dirac il neutrino ha la sua antiparticella (antineutrino) ben distinta. Al momento della pubblicazione dell articolo di Majorana Bruno Pontecorvo è ormai a Parigi. D altra parte l ipotesi della particella di Majorana non riscuote un interesse immediato. È solo verso la fine degli anni Quaranta, quando la possibile rivelazione sperimentale del neutrino sembra a portata di mano, anche a causa delle sorgenti costituite dai reattori nucleari e dagli acceleratori di particelle, che il ruolo della particella di
Majorana comincia ad acquisire importanza sempre crescente, fino all epoca attuale. È molto significativo che tra le carte di Enrico Fermi a Chicago ci siano estesi appunti e calcoli, relativi all epoca citata, sul neutrino di Majorana, concernenti anche il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini (possibile solo se il neutrino è di Majorana) e le possibilità di rivelazione sperimentale dei neutrini. Diamo un esempio sulla formulazione delle particelle neutre di Majorana
Bruno Pontecorvo mostra una sconfinata ammirazione verso l opera di Ettore Majorana, considerandolo il terzo genio nella saga del neutrino, dopo Wolfgang Pauli, che ha inventato il neutrino, ed Enrico Fermi, che ha costruito la teoria del decadimento beta sulla base dell ipotesi del neutrino. Basti vedere l articolo The infancy and youth of neutrino Physics: some recollections, preparato da Bruno Pontecorvo per l International Colloquium on the History of Particle Physics, Some Discoveries, Concepts,
Institutions from the thirties to fifties, e pubblicato sui: Proceedings of a conference held 21-23 July, 1982 in Paris, France. Journal de Physique, colloquium, tome 43. Colloque C-2, supplment au n. 12, Decembre, 1982, p.c8-221, comunque ristampato nei Selected Papers di Pontecorvo della SIF. Pontecorvo afferma: I personally was faced with the Majorana neutrino - Dirac neutrino dilemma more then once and each time for long periods. The first time when I proposed
and developed the Cl-Ar method of detecting neutrinos, the second time when I invented possible neutrino oscillations (...) and again in the sixties, seventies and the eighties in connection with the theory of oscillations and double beta decay. La particella di Majorana è stata costantemente presente nella ricerca di Pontecorvo sull arco di decenni, in un contesto di reale verifica sperimentale, come per esempio nel caso del doppio decadimento beta senza
neutrini, possibile, come abbiamo detto, solo se il neutrino è di Majorana. Inoltre Pontecorvo non esita ad inquadrare l ipotesi della particella di Majorana in una grandiosa prospettiva di teoria di grande unificazione di tutte le forze (GUT), valida a grandissima energia o piccolissime distanze, recuperando addirittura l idea originaria del neutrone come particella di Majorana. Infatti egli afferma: Now let me joke for a minute and you will see where I am driving
to: the Majorana neutrons and neutrinos described in the 1937 paper prophetically anticipate the modern fresh GUT wind, with neutrino finite masses, neutrino and neutron oscillation, nucleon decay and all that! Quando saranno raggiunte le energie di grande unificazione, vedremo se questa affermazione è un joke oppure no. Pontecorvo afferma di aver discusso il suo metodo Cloro-Argon per la rivelazione radiochimica dei neutrini con Fermi a Chicago nel
1948(?). Proprio di questa epoca sono gli appunti già citati di Fermi sul neutrino di Majorana. È quindi un attraente ipotesi che a Chicago ci sia stato allora un significativo incontro ideale tra i tre grandi italiani della fisica del Novecento: Enrico Fermi, Bruno Pontecorvo, Ettore Majorana. Sul tema Pontecorvo-particella di Majorana, per il quale qui è stato possibile sviluppare solo alcune schematiche considerazioni, rinvio ad un lavoro in collaborazione con Nadia Robotti, ora in preparazione.
Ed ecco Bruno Pontecorvo ed Enrico Fermi insieme nel 1949, durante una visita di Fermi in Italia. Mi piace immaginare che anche Ettore Majorana sia presente in spiritu.