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Brillanti prospettive per la fisica dei
neutrini
F. P. An et al., Observation of electronantineutrino disappearance at Daya Bay.
Physical Review Letters, 108 (2012) 171803
J. K. Ahn et al., Observation of Reactor Electron
Antineutrino Disappearance in the RENO
Experiment.
Physical Review Letters, 108 (2012) 191802
Sappiamo da parecchi anni che i neutrini di
“sapore” definito, ne , nm e nt non sono gli stati di
massa definita, ma ne sono combinazioni lineari,
e si trasformano l’uno nell’altro se si dà loro il
tempo di farlo (oscillazioni e cambio di sapore
nella materia). Lo spettro di massa è composto
di un doppietto ed un singoletto. Sino all’inizio
di quest’anno conoscevamo solo due dei tre
angoli di mescolamento. Del terzo, il più piccolo,
si aveva un limite superiore. Qualche indicazione
cominciava ad apparire, ma solo a meno di tre
deviazioni standard.
Questa primavera due esperimenti hanno
pubblicato in rapida successione evidenza
conclusiva per il parametro di mescolamento
mancante. Esso vale circa 9˚, appena sotto il limite
precedente, ed è già noto con un’accuratezza del
13%. Entrambi gli esperimenti, uno in Cina ed
uno in Corea, misurano il flusso di antineutrini
elettronici da centrali nucleari, con rivelatori (6
Daya Bay, 2 RENO) a differenti distanze da essi
(esperimenti “di scomparsa”). I rivelatori distanti
hanno misurato flussi sostanzialmente minori
di quanto aspettato, sulla base delle misure dei
rivelatori vicini, in assenza di oscillazioni. Un terzo
esperimento, T2K in Giappone, sta prendendo dati
su di un fascio di neutrini muonici lungo 295 km,
in cerca della comparsa di neutrini elettronici e ha
presentato risultati consistenti con gli esperimenti
di scomparsa in Giugno alla conferenza Neutrino
2012.
Rimangono ancora da determinare la scala
assoluta delle masse, il segno della differenza tra
la massa del singoletto e del doppietto e il valore
della fase che potrebbe portare a violazione di CP.
Ora sappiamo che nessuno degli angoli di
mescolamento è piccolo e possiamo ottimizzare le
prossime fasi della ricerca con esperimenti mirati a
ciascuno dei tre obiettivi.
Icecube non vede neutrini da lampi
gamma
R. Abbasi et al., An absence of neutrinos
associated with cosmic-ray acceleration in γ-ray
bursts.
Nature, 484 (2012) 351
Fenomeni astrofisici d’altissima energia sono
richiesti per accelerare raggi cosmici ad energie
maggiori dell’EeV (=1018 eV). I lampi gamma
(GRB) sono stati proposti tra le possibili sorgenti.
Nel modello della GRB-fireball, l’accelerazione
dei raggi cosmici è accompagnata da neutrini
prodotti nei decadimenti dei pioni creati nelle
interazioni di alta energia tra protoni cosmici e
raggi gamma.
Il telescopio per neutrini IceCube installato
gradualmente negli ultimi anni, per un volume
totale di circa un chilometro cubo, nei ghiacci
80 < il nuovo saggiatore
del Polo Sud è il primo strumento ad avere
la sensibilità sufficiente per una verifica della
previsione. Questa è stata raggiunta nelle fasi
finali del completamento, consentendo di
determinare un limite superiore del flusso di
neutrini di alta energia associati con i GRB che è
almeno un fattore 3,7 al di sotto delle previsioni
del citato modello. Se confermato, questo
implicherebbe che o i GRB non sono le sole
sorgenti di raggi cosmici di energie maggiori
dell’EeV o che l’efficienza di produzione di neutrini
è molto minore del previsto.
La scoperta di una quasi-particella,
spinore di Majorana
V. Mourik et al., Signatures of Majorana fermions
in hibrid superconductor-semiconductor
nanowire devices.
Science, 336 (2012) 1003
Nel 1937 Ettore Majorana scrisse un famoso
articolo: “Teoria simmetrica di elettrone e
positrone”, che conteneva un’equazione
relativistica per particelle di spin ½ alternativa
a quella di Dirac. Il bispinore soluzione
dell’equazione di Dirac ha, come ben noto, 4
componenti corrispondenti ai due stati di elicità
della particella e dell’antiparticella. Quello di
Majorana ne ha due soli, corrispondenti agli stati
di elicità di una particella che è identica alla sua
antiparticella. Majorana ipotizzò che i neutrini
potessero avere queste caratteristiche, ed è ben
possibile sia così, ma non lo sappiamo ancora.
La materia è composta di nuclei ed elettroni le
cui proprietà sono ben comprese e descritte dalle
equazioni della meccanica quantistica. La fisica
della materia condensata descrive peraltro molti
fenomeni con le “quasi-particelle”. L’esempio più
antico di quasi-particella è il fonone, introdotto
da Einstein nel 1907 (A. Einstein, Ann. Phys., 22
(1907) 180). In analogia al fotone, il campo delle
vibrazioni termiche di un cristallo è quantizzato.
E i corrispondenti quanti, i fononi, si propagano,
interagiscono tra loro, decadono quasi fossero
delle particelle. Nel tempo si scopersero molti
tipi di quasi particelle, diversi a seconda delle
caratteristiche del materiale nel quale vivono.
Le quasi-particelle differiscono tra loro, e dalle
vere particelle, per la relazione di dispersione, la
relazione tra vettore d’onda k e pulsazione w, cioè
in maniera equivalente, tra quantità di moto p e
energia E. Nel caso delle particelle libere, conviene
ricordare, la relazione è E2– (pc)2 = A, dove A
è una costante relativisticamente invariante.
Questo _permette di definire la massa m come
mc2 = √ A. Per le quasi-particelle non si può in
generale definire una massa, perché la relazione
di dispersione non lo permette.
I “modi di Majorana” di una quasi-particella
erano stati previsti teoricamente. Nel caso di
una particella, lo spin dà la possibilità di coppie
di livelli energetici, e delle corrispondenti
funzioni d’onda, con contributo opposto del
termine spin-orbita. Mourik et al. utilizzano un
nanofilo unidimensionale fatto di materiale
semiconduttore con forte accoppiamento spinorbita, al quale è applicato un campo magnetico
parallelamente ad esso ed è accoppiato con un
normale superconduttore.
La teoria della superconduttività tratta le
eccitazioni (le quasi particelle del caso) di tipo
elettronico e di tipo lacuna allo stesso modo,
con energie di segno opposto. Le eccitazioni
appaiono come coppie quasi-particella quasiantiparticella di energia ±E e spin opposti. Se le
due sono uguali, le energie di entrambi i membri
della coppia devono essere uguali e in pari
tempo opposti, quindi E = 0. Questa condizione
è necessaria, ma non sufficiente, per i modi di
Majorana.
L’articolo mostra come gli autori siano riusciti
a rivelare la presenza di stati con le tutte le
caratteristiche dei modi di Majorana, anche se
non si tratta, ovviamente, delle “vere” particelle di
Majorana, che rimangono da scoprire.
Come scuotere un elettrone fuori da
un atomo
C. Couratin et al., First measurement of pure
electron shakeoff in the b decay of trapped 6He+
ions.
Physical Review Letters, 108 (2012) 243201
Il processo atomico dell’electron shake-off
consiste nell’eccitazione di un elettrone legato
dell’atomo nel continuo o in un nuovo livello a
causa di un’improvvisa variazione del potenziale
centrale. Quest’ultima può essere causata, tra
l’altro, da un decadimento b del nucleo.
Le probabilità di questi processi si possono
calcolare con buona accuratezza se le seguenti
condizioni sono soddisfatte: 1. la mutazione
del potenziale è rapida, 2. l’elettrone “scosso” si
trova in uno stato idrogenoide non perturbato
da interazione con altri elettroni, 3. non ci sono
processi che possano portare allo stesso stato
finale. La prima condizione è ben soddisfatta
dai decadimenti b nei quali la variazione del
potenziale centrale avviene nel tempo impiegato,
dell’ordine di 10–18 s, dalla particella b ad
attraversare la nuvola elettronica dell’atomo, ma
solo alcuni atomi soddisfano le altre condizioni.
Tra le specie radioattive con un solo elettrone
attivo, come gli ioni 6He+, le correlazioni elettroneelettrone e i processi secondari di rilassamento
sono assenti, lasciando due soli meccanismi
per lo shake-off. Lo stato dello ione figlio, litio
doppiamente ionizzato 6Li++, si può descrivere con
una semplice equazione meccanico quantistica.
L’esperimento fu condotto nel laboratorio di
GANIL in Francia. Gli ioni radioattivi di 6He furono
prodotti al sistema fascio-bersaglio SPIRAL,
decelerati da una radiofrequenza frenante e
iniettati in una trappola di Paul. Per ogni evento
rivelato si misurarono energia e posizione
della particella b, posizione e tempo di volo
del rinculo la posizione dell’evento nel ciclo di
intrappolamento e la fase della rf della trappola.
Il risultato finale è la misura della probabilità
di shake-off di un elettrone dallo ione 6He+ in
seguito a decadimento beta del nucleo, con
un’accuratezza relativa di 1,5%. Il valore trovato
è in perfetto accordo con il calcolo teorico, reso
semplice ed affidabile dale particolari condizioni
del sistema (solo un elettrone legato attivo,
variazione di potenziale molto rapida, assenza di
processi interferenti, come l’emissione Auger).
a cura di Alessandro Bettini