Arthur B. McDonald: il fisico che ha lavorato a due chilometri sotto terra

Due chilometri sotto il paesaggio dell'Ontario, all'interno di una miniera di nichel in attività vicino a Sudbury, Arthur McDonald ha trascorso oltre un decennio a gestire un esperimento che doveva essere schermato da quasi ogni particella sulla superficie terrestre per poter catturare quelle che arrivavano dal Sole. Quando i dati sono finalmente arrivati nel 2001, l'ha definito il suo "momento eureka": i neutrini, le particelle fantasma che i fisici supponevano fossero prive di massa, stavano cambiando identità in volo — la prova che, dopo tutto, possedevano una massa.

Da Sydney, Nuova Scozia, a Caltech

Arthur Bruce McDonald è nato il 29 agosto 1943 a Sydney, in Nuova Scozia, ed è rimasto vicino a casa per la sua formazione iniziale, conseguendo sia una laurea nel 1964 che un master nel 1965 in fisica presso la Dalhousie University. Ha poi attraversato il continente per gli studi di specializzazione presso il California Institute of Technology (Caltech), completando un dottorato in fisica nucleare nel 1969 sotto la supervisione di Charles A. Barnes, con una tesi sulle energie di eccitazione e sulle proprietà di decadimento di specifici stati nucleari in ossigeno-17, fluoro-17 e sodio-21 — un lavoro tecnico e poco appariscente, tipico di un giovane fisico nucleare che muove i primi passi prima della scoperta che avrebbe definito la sua carriera.

Da Chalk River a Princeton

La prima fase della vita professionale di McDonald è trascorsa in gran parte all'interno dell'istituzione di ricerca nucleare del Canada, come ricercatore presso i Laboratori nucleari di Chalk River dal 1969 al 1982, parte del programma di punta del paese nella fisica dei reattori e delle particelle. È poi passato a una cattedra presso l'Università di Princeton dal 1982 al 1989, prima di tornare in Canada per unirsi alla Queen's University a Kingston, in Ontario, nel 1989 — lo stesso anno in cui è diventato il direttore fondatore di un nuovo e ambizioso esperimento costruito in una miniera attiva a due chilometri di profondità.

La costruzione del Sudbury Neutrino Observatory

Il Sudbury Neutrino Observatory, noto come SNO, è stato costruito all'interno della miniera di nichel Creighton proprio perché la sua enorme profondità rocciosa avrebbe schermato un rivelatore straordinariamente sensibile dal fondo di raggi cosmici che inonda la superficie terrestre. Al suo interno vi erano mille tonnellate di acqua pesante, scelta perché in grado di registrare tutti e tre i tipi, o "sapori", di neutrino anziché solo uno. McDonald ha guidato la collaborazione internazionale SNO attraverso la costruzione del progetto e, una volta iniziate le operazioni nel 1998, attraverso anni di minuziosa raccolta dati finalizzata a risolvere un enigma vecchio di decenni noto come il problema dei neutrini solari: i rivelatori sulla Terra trovavano costantemente solo circa un terzo dei neutrini elettronici che la fisica solare prevedeva il Sole dovesse produrre. Nell'agosto 2001, i risultati del SNO hanno mostrato il perché — i neutrini mancanti non erano scomparsi, avevano cambiato sapore, oscillando da neutrini elettronici in neutrini muonici e tauonici durante il loro viaggio dal nucleo del Sole al pozzo minerario dell'Ontario. Tale oscillazione poteva avvenire solo se i neutrini, contrariamente alle ipotesi originali integrate nel Modello Standard della fisica delle particelle, possedessero una massa piccola ma non nulla.

Un Nobel condiviso attraverso il Pacifico

Il Premio Nobel per la Fisica per il 2015 è stato assegnato congiuntamente a McDonald e al fisico giapponese Takaaki Kajita, il cui esperimento Super-Kamiokande aveva trovato in modo indipendente prove dell'oscillazione dei neutrini utilizzando neutrini atmosferici anziché solari. La motivazione ha riconosciuto entrambi gli uomini "per la scoperta delle oscillazioni dei neutrini, che mostra che i neutrini hanno una massa" — una scoperta che il comitato Nobel e la comunità fisica più ampia hanno considerato la prima crepa confermata nel Modello Standard, il quadro che altrimenti aveva previsto il comportamento delle particelle con notevole precisione per decenni. McDonald ha continuato a collezionare una serie di onorificenze correlate: la Benjamin Franklin Medal in Physics nel 2007, l'elezione a membro della Royal Society nel 2009, il Killam Prize nelle scienze naturali nel 2010, la Henry Marshall Tory Medal nel 2011, il Premio Giuseppe e Vanna Cocconi per l'astrofisica delle particelle nel 2013, la nomina a Compagno dell'Ordine del Canada nel 2015 e il multimilionario Breakthrough Prize in Fundamental Physics, condiviso tra i team SNO e Super-Kamiokande. Un asteroide, 229781 Arthurmcdonald, è stato chiamato in suo onore nel 2016.

SNOLAB, materia oscura e una deviazione pandemica

La struttura sotterranea che McDonald ha costruito per il SNO non ha chiuso al termine dell'esperimento sui neutrini; è stata ampliata in SNOLAB, uno dei laboratori scientifici sotterranei più profondi e puliti del mondo, dove McDonald ha continuato la ricerca sulla fisica dei neutrini e la ricerca della materia oscura come professore emerito alla Queen's University. Le sue competenze si sono rivelate utili anche al di fuori della fisica delle particelle: durante la pandemia di COVID-19, McDonald ha contribuito a guidare l'impegno ingegneristico dietro il Mechanical Ventilator Milano, un design di ventilatore open-source e producibile in massa, lavoro che ha ottenuto il sostegno pubblico del primo ministro canadese Justin Trudeau mentre gli ospedali affrontavano carenze di attrezzature.

Perché Arthur è definito un genio

La definizione di genio per McDonald riguarda meno un lampo di intuizione teorica che la sostenuta, quasi ostinata disciplina ingegneristica e organizzativa richiesta per rispondere a una domanda che la natura aveva nascosto straordinariamente bene. I neutrini interagiscono così debolmente con la materia ordinaria che trilioni passano attraverso un corpo umano ogni secondo senza effetti; rilevare la minuscola frazione che interagisce, in modo abbastanza pulito da distinguere un sapore dall'altro, ha richiesto la costruzione e la gestione di uno degli strumenti più isolati e calibrati con precisione mai realizzati, a due chilometri sotto terra, per la maggior parte di due decenni. Questo non è il genio di un'idea improvvisa, ma di un'implacabile pazienza sperimentale — progettare un apparato abbastanza sensibile da catturare ciò che nessuno aveva mai catturato prima, e mantenere unita una collaborazione internazionale abbastanza a lungo da ottenere una risposta chiara. L'onesta qualificazione è che l'idea alla base dell'oscillazione dei neutrini non è stata solo di McDonald: i teorici l'avevano proposta in precedenza, e il team di Takaaki Kajita è giunto a una conclusione parallela indipendentemente utilizzando neutrini completamente diversi, che è esattamente il motivo per cui il Nobel è stato diviso. Il contributo distinto di McDonald è stato provarlo in modo decisivo, con un esperimento la cui pura audacia fisica — acqua pesante, una miniera attiva, schermatura dai raggi cosmici su quella scala — è stata tanto un'impresa di fisica applicata e leadership quanto di teoria.

Eredità

La scoperta dell'esperimento SNO ha rimodellato un presupposto fondamentale della fisica delle particelle e ha lasciato SNOLAB come un elemento permanente dell'infrastruttura scientifica, che oggi ospita ricerche sulla materia oscura e altri esperimenti sotterranei profondi che sarebbero impossibili in qualsiasi altro luogo sulla Terra. McDonald, ancora attivo nella ricerca ben oltre gli ottant'anni, rimane uno degli scienziati più decorati del Canada e una presenza continua nel laboratorio sotterraneo che ha costruito per la prima volta per catturare una manciata di particelle sfuggenti provenienti dal Sole.