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.