Il mistero del decadimento beta

L’esempio più semplice dell’interazione debole, chiamata anche forza nucleare debole, è costituita dal decadimento beta che si verifica con un singolo neutrone, una delle particelle presenti nel nucleo atomico, facendolo decadere in circa 11 minuti quando si muove liberamente nello spazio.
Quando venne studiato e compreso il decadimento beta pose un nuovo, insidioso mistero: innumerevoli osservazioni dimostravano che la somma dell’energia dell’elettrone e del protone, a conclusione del processo di decadimento, era sempre un po’ inferiore a quella del neutrone originale.
Dove era andata a finire questa energia mancante?
Niels Bohr, uno dei fondatori della meccanica quantistica, arrivò ad ipotizzare che il principio della conservazione dell’energia, ovvero che la quantità di energia è la stessa prima e dopo un processo fisico, non valesse universalmente e comunque non si applicasse al decadimento beta.

Un’ipotesi che sembrava smantellare uno dei pilastri dei principi della fisica. Wolfgang Pauli, padre del principio di esclusione per il quale vinse il Premio Nobel nel 1945, non riusciva ad accettare una simile interpretazione.
Fisico teorico brillante ed anticonvenzionale Pauli non riusciva ad ammettere che il principio di conservazione dell’energia che fino a quel momento aveva dato cosi valida prova di se in tutti i domini della fisica, avesse un’unica e limitata eccezione nel processo di decadimento beta.
Fu cosi che nel 1930 Pauli azzardò la presenza di una nuova particella elementare prodotta insieme all’elettrone e protone a conclusione del processo di decadimento beta.
Questa nuova particella priva di carica elettrica e quindi particolarmente sfuggente avrebbe avuto una massa molto piccola tale da confermare la validità del principio di conservazione dell’energia.
Pauli annunciò la sua nuova particella in una lettera scritta il 4 dicembre del 1930 agli organizzatori di un convegno sulla radioattività ai quali comunicava che non sarebbe potuto intervenire per il concomitante impegno ad un ballo a Zurigo!
La nuova particella ribattezzata neutrino da Edoardo Amaldi durante una conversazione con Enrico Fermi all’Istituto di fisica di via Panisperna a Roma, come diminutivo scherzoso del neutrone, altra particella neutra molto più massiccia, fu effettivamente scoperto nel 1956, dai fisici Clyde Cowan e Fred Reines nel corso di un esperimento eseguito al reattore a fissione di Savannah River, che mostrò reazioni indotte proprio da neutrini liberi.
Grazie alla brillante intuizione di Pauli, nel 1935 Enrico Fermi fu in grado di scrivere la prima teoria quantistica che descriveva matematicamente le interazioni deboli.

Fermi descrisse il processo debole come un’interazione puntiforme di quattro fermioni, con costante di accoppiamento G, detta costante di Fermi e  che imposta la scale delle interazioni deboli a circa 175 Gev (175 gigaelettronvolt).
Utilizzando la teoria di Fermi gli acceleratori di particelle ed alta energia hanno scoperto numerose particelle elementari tra le quali, nel 2012, il bosone di Higgs detto con enfasi mediatica “la particella di Dio”.