Ettore Majorana: biografia, scoperte ed il mistero della sua scomparsa

Nato a Catania il 5 agosto del 1906, quarto di cinque figli di Fabio Majorana (1875 – 1934) e Dorina Corso (1876 – 1965), Ettore Majorana è stato probabilmente il maggior fisico teorico italiano del secolo scorso, dalla personalità schiva e particolare.  

Suo padre era un ingegnere che per molti anni aveva diretto l'azienda telefonica di Catania e aveva ricoperto il ruolo di ispettore generale presso il Ministero delle Comunicazioni. Inoltre, lo zio del nostro personaggio era il professor Quirino Majorana (1871-1957), che aveva insegnato fisica sperimentale a Bologna e aveva ricoperto la carica di presidente della Società Italiana di Fisica.

La formazione di Ettore fu curata per i primi anni dal padre Fabio, poi entrò come interno all’Istituto Massimo dei Gesuiti di Roma dove completò le elementari e frequentò il ginnasio. Per il terzo anno passò al liceo statale Torquato Tasso dove conseguì brillantemente la maturità nel 1923.   

Nell’autunno dello stesso anno si iscrisse alla facoltà di ingegneria all’università di Roma dove si distinse notevolmente. Fu negli anni universitari che nacque l’amicizia con Giovanni Gentile (1906-1942) ed Emilio Segrè (1905-1989) - vincitore del Premio Nobel per la fisica nel 1959, per la scoperta dell’antiprotone.   

Segrè si trasferì a Fisica nel 1927, decisione maturata anche in seguito alla conoscenza Franco Rasetti (1901-2001), allora assistente all’Istituto di Fisica dell’Università di Firenze e Enrico Fermi (1901-1954) che nel novembre del 1926 aveva ottenuto la cattedra di Fisica Teorica all’Università di Roma.  

Nel contesto scientifico del tempo, considerando gli sviluppi nella fisica a cui si stava assistendo in tutta Europa, vi era la necessità di giovani studiosi, preparati e disposti ad intraprendere gli studi in questo settore, sia sul piano teorico che sperimentale. Con l’aiuto di Corbino, il quale durante una lezione invitò esplicitamente i migliori studenti di ingegneria a passare a Fisica, Fermi riunì nell’Istituto di via Panisperna a Roma un gruppo di fisici teorici e sperimentali che con il lavoro svolto tra il 1927 e il 1938 portarono la scuola di fisica italiana al livello dei più prestigiosi centri di ricerca europei e americani.  

Emilio Segrè, nell’ambiente scientifico che si andava consolidando in quegli anni attorno a Fermi, parlava frequentemente delle eccezionali capacità di Ettore Majorana e, allo stesso tempo, cercava di avvicinare lo studioso al settore della fisica, molto più affine alle sue aspirazioni scientifiche rispetto agli studi ingegneristici. Fu così che Majorana si trasferì da ingegneria a fisica nel 1928, dopo un colloquio con Fermi, il quale stava lavorando al modello statistico dell’atomo che sarà poi ricordato come il modello di Thomas-Fermi.   

Durante il colloquio, incentrato proprio su tale argomento, Fermi mostrò rapidamente a Majorana la tabella con i valori numerici del cosiddetto potenziale universale di Fermi. Il giorno dopo, Majorana si presentò di nuovo nello studio di Fermi e gli chiese di vedere nuovamente la tabella. Estrasse quindi dalla tasca un foglio su cui aveva riportato i valori calcolati nell’arco delle ultime ventiquattro ore e constatò così il pieno accordo tra i suoi dati e quelli di Fermi.   

Dopo qualche giorno da quell’episodio cominciò a frequentare regolarmente l’Istituto di Fisica. Il suo nome è infatti legato al gruppo di studiosi di Fermi e Rasetti, noto come I ragazzi di via Panisperna, (dal nome della via di Roma in cui si trovava l’Istituto di Fisica) con cui continuò a collaborare per qualche anno dopo la laurea.   

Come possiamo leggere dallo stesso Emilio Segrè (Enrico Fermi, Fisico – una biografia scientifica. Ed Zanichelli) all’Istituto vi era l’uso di dare soprannomi e quello di Majorana era spesso “il Grande Inquisitore” per il forte spirito critico e rigoroso: “La sua intelligenza così originale e profonda era accompagnata da una tendenza sfrenata alla critica e da un profondo pessimismo. La sua natura lo conduceva a lavorare solo e ad appartarsi dal genere umano. Non partecipava molto ai nostri studi perché erano per lui troppo elementari, ma ci aiutava in problemi teorici e ci sorprendeva sia con le sue idee originali e talora paradossali, sia per la sua capacità di calcolo mentale”.  

Majorana diede al gruppo importanti contributi di stampo teorico e nel 1928, sebbene non ancora laureato, pubblicò il suo primo lavoro. Conseguì la laurea in fisica con il massimo dei voti e la lode il 6 luglio del 1929 con Enrico Fermi come relatore e con la tesi dal titolo “La teoria quantistica dei nuclei radioattivi”, che approfondiva i problemi sulla struttura dei nuclei atomici e sul decadimento α.    

Dopo la laurea, Majorana continuò a frequentare l’Istituto approfondendo soprattutto i lavori di Dirac (1902-1984), Heisenberg (1901-1976), Pauli [B2] (1900-1958), Weyl (1885-1955) e Wigner (1902-1995).   

Ogni antiparticella presenta la stessa massa, carica opposta e spin opposto rispetto alla particella corrispondente. Il neutrino di Majorana è invece identico alla sua antiparticella, contrariamente alla formulazione di Dirac, secondo cui il neutrino e la sua antiparticella (antineutrino) sono ben distinti.   

Tutte le particelle elementari con massa e carica elettrica sono dette particelle di Dirac e sono distinguibili dalle relative antiparticelle avendo, rispetto ad esse, carica elettrica opposta. Se il neutrino risultasse distinguibile dalla sua antiparticella, allora sarebbe necessariamente una particella di Dirac. Al momento non sappiamo se il neutrino sia una particella di Dirac o di Majorana e molti ricercatori sono impegnati in studi volti a misurare la massa – e relativa natura- di tale particella.   

I lavori di Majorana sono quindi una continua fonte di ispirazione anche per i fisici moderni. Ad esempio, lo studio delle proprietà dei neutrini è da sempre una delle ricerche di punta presso i laboratori INFN del Gran Sasso.  

In particolare vengono misurate le caratteristiche particolari della propagazione del neutrino, studiate le informazioni che i neutrini ci portano da oggetti celesti vicini e lontani e le caratteristiche intrinseche peculiari di questa particella. Vari esperimenti sono finalizzati a evidenziare il così detto doppio decadimento beta nucleare senza neutrini: l’esistenza di tale processo dimostrerebbe che i neutrini sono particelle di Majorana che, quindi, coincidono con loro antiparticelle (il fatto che il neutrino possa corrispondere all’antineutrino spiegherebbe la difficoltà di osservare antineutrini in natura).  

Nonostante la massa del neutrino sia piccolissima, il suo valore esatto è di grandissima importanza sia per chiarire l’eventuale presenza di materia oscura nell’universo, sia capire il motivo per cui c’è più materia che antimateria nell’universo (fonte: Torino scienza).  

Nel 1932, Majorana ottenne la Libera Docenza in Fisica Teorica. Presentava solo cinque lavori, ma la commissione composta da Enrico Fermi, Antonino Lo Surdo ed Enrico Persico ne riconobbe all’unanimità “una completa padronanza della fisica teorica". 

Majorana aveva dimostrato un forte interesse per la fisica nucleare già dalla tesi di laurea e ancor di più con l’apparire, all'inizio del 1932, dei lavori che portarono alla scoperta del neutrone.  

Tale interesse era comune a tutto l’Istituto di via Panisperna, concorde nel far convergere gradualmente gli studi dalla fisica atomica alla fisica nucleare. Agli inizi del 1932 iniziarono a diffondersi i risultati delle ricerche dei Joliot-Curie (premio Nobel per la chimica nel 1935) e Majorana comprese che senza rendersene conto avevano scoperto il “protone neutro”. 

Prima dell’annuncio ufficiale della scoperta del neutrone (Chadwick, premio Nobel per la fisica nel 1935), Majorana riuscì a spiegare la struttura e la stabilità dei nuclei atomici mediante protoni e neutroni. Majorana formulò cioè un modello secondo cui il nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni che interagiscono attraverso forze di scambio che dipendono solo dalle loro coordinate spaziali.     

Questa era la conclusione più importante della sua teoria, secondo la quale protoni e neutroni erano legati da forze quantistiche originate semplicemente dalla loro indistinguibilità (“forze di scambio” delle rispettive posizioni spaziali e non anche degli spin, contrariamente all’idea di Heisenberg). In questo modo Majorana riusciva a spiegare il motivo per cui le particelle alfa, composte da due neutroni e due protoni, fossero molto più stabili rispetto ai nuclei del deuterio, composti da un neutrone e un protone, più debolmente legati.    

Heisenberg pubblicò il proprio articolo sulle forze di scambio nucleari e Fermi spinse Majorana a recarsi a Lipsia presso il collega. Durante il 1933 trascorse dunque circa sei mesi con Werner Heisenberg, il quale lo convinse a pubblicare un articolo sulla sua teoria delle forze di scambio nucleari (“Über die Kerntheorie”, lavoro apparso il 3 marzo 1933 su Zeitschrift für Physik, vol. 82 (1933) pp. 137-145). Le forze “di scambio” nucleari furono chiamate forze di Heisenberg-Majorana.   

Il viaggio in Germania fu un momento culminante nella vita scientifica di Majorana e in qualche modo rappresentò un vero e proprio spartiacque nella sua vita. Tornato da Lipsia, per ragioni ignote interruppe la frequentazione del gruppo italiano e smise perfino di pubblicare i risultati delle sue ricerche che già in precedenza, frutto del suo essere ipercritico, venivano selezionate comunque molto severamente. 

A partire dal 1934, anno della morte del padre, Majorana si isolò sempre di più, fino a non uscire quasi di casa per quanto i suoi interessi intellettuali continuassero ad essere vivissimi. In quegli anni Fermi fu protagonista insieme ai suoi collaboratori del panorama scientifico grazie alle ricerche sulla radioattività artificiale indotta dai neutroni (premio Nobel nel dicembre del 1938). 

In occasione del Concorso nazionale del 1937 per professore ordinario di fisica teorica, Majorana pubblicò l’articolo “Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone”, già pronto da anni. Su raccomandazione della commissione giudicante (e avente Enrico Fermi come presidente) Majorana fu nominato professore di fisica teorica all’Università di Napoli per la sua “grande e meritata fama”. 

Majorana è ricordato da molti per la misteriosa scomparsa che avvenne, tra Palermo e Napoli, quando aveva 31 anni senza essere mai ritrovato. Giuseppe Cocconi, (1914-2008), scriveva a tal proposito: “[...] Ricordo che, mentre ero con Fermi nella nostra officinetta arrivò la notizia della scomparsa da Napoli del Majorana. Fermi si dette da fare telefonando da varie parti sinché, dopo alcuni giorni, si ebbe l’impressione che non lo si sarebbe ritrovato più.  

Fu allora che Fermi, cercando di farmi capire che cosa significasse tale perdita, si espresse in modo alquanto insolito, lui che era così serenamente severo quando si trattava di giudicare il prossimo: Al mondo ci sono varie categorie di scienziati; gente di secondo e terzo rango, che fan del loro meglio ma non vanno molto lontano. C’è anche gente di primo rango, che arriva a scoperte di grande importanza, fondamentali per lo sviluppo della scienza (e qui ho netta l’impressione che in quella categoria volesse mettere se stesso). Ma poi ci sono i geni, come Galileo e Newton. Ebbene, Ettore era uno di quelli. Majorana aveva quel che nessun altro al mondo ha...”. Enrico Fermi richiese a Mussolini una intensificazione delle ricerche di Ettore: «Io non esito a dichiararvi, e non lo dico quale espressione iperbolica, che fra tutti gli studiosi italiani e stranieri che ho avuto occasione di avvicinare il Majorana è fra tutti quello che per profondità di ingegno mi ha maggiormente colpito».