Nel cuore del Gran Sasso per
studiare processi rari
Riccardo Cerulli
INFN-LNGS
Laboratori Nazionali Gran Sasso
1979 →
proposta al Parlamento italiano del progetto di un grande
laboratorio sotterraneo all’interno del tunnel autostradale
del Gran Sasso (allora in costruzione).
1982 →
approvazione da parte del Parlamento.
1987 →
la costruzione è completata.
1989 →
il 1° esperimento sotterraneo, MACRO, inizia la presa dati.
Laboratori Nazionali Gran Sasso
Laboratori Sotterranei
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
Circa 15 esperimenti condotti da più
di 750 ricercatori provenienti da quasi
30 paesi del mondo
• 1400 m di roccia sovrastante
• Volume: 180.000 m3 il più grande
laboratorio sotterraneo al mondo!
• Riduzione del flusso di muoni di un
fattore 1 milione
Laboratori Esterni
SLOVAK R.
ISRAEL
NORWAY
FINLAND
BELARUS
TUNISIE
ARGENTINA
CZECH R.
TURKEY
BULGARY
PORTUGAL
INDIA
KOREA
HUNGARY
BRAS
CROATIA
CHINA
BELGIUM
SWITZ.
UKRAINE
FR
POLAND
UK
USA
JAPAN
RUSSIA
GERMANY
0
AUSTRALIA
10
Grandi
Sale
Gli scavi
da
La pianta
dei realizzare
Laboratori Sotterranei
sala finita...
Una grande
sala...
ma vuota!!
per
un “grande”
esperimento
Che ci vanno a fare un gruppo di fisici sotto terra ?
La Terra è costantemente bombardata dai
raggi cosmici: nuclei di H, He o più pesanti
che colpiscono l’atmosfera causando una
pioggia di particelle secondarie (circa 100
particelle cariche per metro quadro al
secondo!) In superficie queste costituiscono
un rumore di fondo che oscura i rivelatori,
tuttavia la roccia può assorbirne molte
realizzando una condizione di “silenzio
cosmico” che permette di studiare particelle
elementari, difficilissime da catturare, che
attraversano indisturbate la roccia, ed eventi
molto rari.
Fisica Sotterranea ai LNGS
Neutrini
Materia Oscura
Decadimenti Rari
Astrofisica Nucleare
Raggi Cosmici
Geologia, Biologia
I neutrini
νe
νe
νµ
νµ
ντ
ντ
I neutrini sono tra le
particelle più elusive. Essi
possono passare
attraverso la materia
senza interagire o essere
assorbiti e questo rende la
loro rivelazione
estremamente difficile.
I Neutrini
I neutrini esistono in 3 diversi sapori
I neutrini hanno carica elettrica nulla e
una massa vicina allo zero. Sono state
considerate particelle prive di massa fino
alla scoperta delle cosiddette “oscillazioni
di neutrini”.
νe
νµ
νµ
ντ
Neutrini di diversi sapori oscillano l’uno nell’altro mentre si propagano
Le sorgenti di neutrini
Neutrini Fossili
Produzione: Big Bang
Sapore: tutti
Energia: < 1 miliardesimo
dell’energia dei neutrini solari
Neutrini Atmosferici
Neutrini Astrofisici
Produzione: interazioni di
Produzione: AGN, SN remnants,
raggi cosmici in atmosfera,
Neutrini Solari
GRB, ...
Sapore: elettronico e muonico
Produzione: reazioni
Sapore: tutti
Energia: 100 MeV – 106 GeV
termonucleari
Energia: 106 - 1011GeV
(MACRO- ~ OPERA-ICARUS)
Sapore: solo elettronico
Energia: 0.1 – 18.8 MeV
(Borexino-Icarus-GNO)
Neutrini Terrestri
Produzione: decadimenti
radioattivi
Sapore: elettronico
Energy: MeV
(Borexino)
Neutrini Artificiali
Neutrini da Supernova
Produzione: reattori nucleari,
Produzione: collasso del nucleo
acceleratori di particelle
Sapore: tutti
Sapore: elettronico e muonico
Energia: diverse decine di MeV
(Icarus-OPERA)
(~ Borexino-LVD-ICARUS)
GALLEX/GNO:
un risultato importante sui ν solari
GALLEX è stato uno dei primi
esperimenti a misurare il flusso di
neutrini dal Sole dal 1991 al 1997,
per poi diventare GNO; lo scopo
era di monitorare il flusso dei
neutrini per un intero ciclo solare
(11 anni). Concluso nel 2002.
νe + 71Ga = 71Ge + eRIVELATORE:
101 t di soluzione di GaCl3 (30 t di
Gallio) da cui ogni 28 gg venivano
estratti gli atomi di Germanio
formati per l’interazione dei ν solari
con il Ga.
Dei 60 miliardi per cm2
per secondo meno di
un neutrino al giorno
interagiva in GNO.
RISULTATO:
I ν solari rivelati sono circa il 55% del valore previsto dai modelli solari. Questo deficit di
neutrini solari è stato spiegato con l’esistenza delle oscillazioni (νe Æ νµ) per cui i ν , che
nascono di tipo elettronico nel Sole, cambiano tipo durante il percorso Sole-Terra, diventando
non piu’ rivelabili da GNO.
BOREXINO:
un rivelatore per ν solari e non solo…
SCOPO:
rivelazione in tempo-reale ν solari attraverso l’interazione in un liquido scintillatore (νe+e-→e+νe). In particolare questo rivelatore permette di studiare i neutrini detti del 7Be,
monocromatici da 862 keV, (e-+7Be→7Li+ νe). Borexino rivela circa 30 neutrini al giorno. E’
inoltre capace di rivelare i ν emessi nell’esplosione di una supernova e i ν emessi dalla Terra.
RIVELATORE:
Il cuore del rivelatore è un pallone di nylon, di diametro 8.5 m, contenente 300 t di liquido
scintillatore capace di emettere luce se attraversato da particelle cariche. Questo pallone è
contenuto in una sfera interna di acciaio, di diametro 13.7 m, che fa da supporto ai 2200
fotomoltiplicatori che guardano la luce emessa dallo scintillatore.
All’esterno della sfera, 2400 t di acqua ultrapura costituiscono uno schermo contro la
radioattività esterna. Il rivelatore è stato completato il 15 Maggio 2007.
Neutrini dalle stelle: Large Volume Detector
Il rivelatore contiene 1000 t di scintillatore
liquido contenuto in 840 contatori. Nel caso
in cui una Supernova esplodesse nel centro
della nostra Galassia (8.5 kpc), LVD sarebbe
in grado di rivelare 300-400 neutrini. Il
rivelatore è in funzione dal 1992.
L’esperimento LVD ha come scopo principale di
rivelare il segnale di neutrini emesso da
un’esplosione di Supernova nella nostra Galassia
o in una delle Galassie vicine (Nubi di Magellano).
Ogni esplosione produce sulla Terra circa 1000
miliardi di neutrini al metro quadro in un tempo
pari a circa 10-20 s.
L’ultima Supernova esplosa nella Grande
Nube di Magellano risale al 1987, da cui
prende il suo nome: SN1987A
La frequenza attesa di esplosioni di Supernovae nella nostra Galassia è di 2-4
per secolo: per questo motivo l’apparato è in continua presa dati!
CNGS: CERN Neutrino to Gran Sasso
Scopo:
conoscere
la
natura
dei
neutrini
attraverso
l’osservazione
ai
LNGS
dell’apparizione dei neutrini tau in un
fascio di neutrini muonici. Questi
ultimi, infatti, inviati da un acceleratore
distante 732 km al CERN, durante il
loro percorso fino ai LNGS oscillano e si
trasformano in neutrini di tipo tau.
verso i rivelatori
OPERA e ICARUS
Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus
RIVELATORE
Il rivelatore OPERA cercherà le oscillazioni νµ → ντ nel
fascio di neutrini provenienti dal CERN, “fotografando” la
particella τ nelle “emulsioni nucleari”.
2 super-moduli per un totale di 1300 t di massa
(circa 150000 mattoni): ciascun SuperModulo è
costituito da 31 piani di rivelatori a scintillatore plastico e
da uno spettrometro di muoni costruito mediante lastre
di ferro magnetizzate intervallate differenti tipi di
rivelatori.
Interazione nel brick
m
10.2 c
12.7 cm
…Ogni giorno vengono estratti circa 20 mattoncini…
57 fogli di emulsioni nucleari
intervallate con 56 fogli di piombo.
Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus
Imaging Cosmic And Rare Underground Signals
RIVELATORE:
E’ un esperimento che usa 600 tons di argon
liquido. Si può considerare una camera a bolle
elettronica ed è stato progettato per fornire il
maggior numero di informazioni (risoluzione
spaziale, identificazione del tipo di particella e
ricostruzione 3D dell’evento) con la possibilità
di avere contemporaneamente una lettura
elettronica dell’evento.
Decadimenti rari - Decadimento ββ
La condizione di “silenzio cosmico” permette
di studiare decadimenti estremamente rari
tra cui il decadimento ββ: un processo
rarissimo che può avvenire in un nucleo
atomico:
2 neutroni si trasformano simultaneamente
in 2 protoni, emettendo 2 elettroni e 2
antineutrini.
Ancora più raro ed interessante per i fisici è il
decadimento doppio beta senza emissione di
neutrini perché permette di avere informazioni
ancora sconosciute sulla natura del neutrino.
Decadimento 0ν2β
Decadimento 2ν2β
Questo picco, che è quello che interessa agli
scienziati, è in realtà molto soppresso (a causa
della rarità dell’evento) ed è difficilissimo da
osservare…
Esperimento CUORE
(Cryogenic Underground
Observatory for Rare Events)
GERmanium Detector Array
Scopo dell’esperimento è quello di studiare il
decadimento ββ del 130Te utilizzando 1000
rivelatori criogenici di TeO2 , per un totale di 760
kg. Un prototipo dell’esperimento CUORE, detto
CUORICINO, è già in funzione presso i laboratori
sotterranei.
Cristallo di TeO2
Termometro in grado di apprezzare la piccolissima
(qualche millesimo di grado) variazione di
temperatura causata da un decadimento!
L’esperimento GERDA è dedicato allo
studio del decadimento ββ senza neutrini
dell’isotopo 76Ge approfondendo lo studio
fatto dall’esperimento Heidelberg-Moscow,
che è stato in funzione in questi laboratori
per piu di 10 anni e che fino ad rimane il
più sensibile al mondo in questo campo di
ricerca.
GERDA, utilizza rivelatori a semiconduttore
76
arricchiti
nell’isotopo
Ge
che
funzioneranno immersi in una schermatura
criogenica.
Data la necessità di avere un ambiente
completamente privo di disturbi esterni,
l’apparato sperimentale viene schermato con
uno strato di piombo estremamente
“radiopuro” e risalente all’età di Roma!!!
Materia Oscura
L’Universo oscuro intorno a noi
Ciò che i telescopi tradizionali hanno
permesso di vedere: le stelle, i pianeti, le
comete, i gas intergalattici, ecc., è solo
una piccola parte della materia che
compone l’Universo (meno del 1%).
La componente più cospicua è una forma
di materia che non emette né assorbe
radiazione luminosa; ad essa è stato dato
il nome di Materia Oscura
Composizione dell’Universo
<1% visibile
3% oscura
E. LINDER
Materia Oscura: particelle subatomiche relitte dal Big Bang
che costituiscono circa il 22% dell’Universo
Evidenze sperimentali
sull’esistenza della Materia Oscura
9 Prima evidenza sperimentale dell’esistenza di Materia Oscura
nell’Universo: misure delle velocità delle galassie che
compongono l’ammasso COMA eseguite da Zwicky nel 1933.
Queste osservazioni mostrarono che la sola componente visibile di
materia non poteva dare conto delle velocità misurate e che la
materia non luminosa era presente nell’ammasso in percentuale
nettamente superiore rispetto alla materia visibile.
9 Pochi anni più tardi nel 1936 Smith confermò l’esistenza di
Materia Oscura studiando l’ammasso di galassie della
Vergine.
9 Uno studio sistematico che accredita l’esistenza di Materia
Oscura anche a livello di singole galassie è stato eseguito
nel 1974 da due diversi gruppi, considerando molte galassie
a spirale.
Anche la nostra Galassia (la Via Lattea) contiene al
suo interno un alone oscuro che la pervade.
Come rivelare tali particelle con
dispositivi (rivelatori) posti sulla Terra?
• Quando una particella di Materia Oscura attraversa un
rivelatore vi è una certa probabilità che essa interagisca
• L’energia rilasciata nel rivelatore a seguito dell’interazione
è la grandezza che si misura
Alcuni tipi di interazioni possibili
DMp’
DMp
Bolometer:
TeO2, Ge, CaWO4,
...
DMp
N
Scintillation:
NaI(Tl),
LXe,CaF2(Eu), …
e-
a
Ionization:
Ge, Si
X-ray
γ
e-
L’esperimento DAMA
DAMA
ha
realizzato
2
generazioni di esperimenti
di NaI(Tl) ultra-radiopuro:
DAMA/NaI (100kg) prima e
DAMA/LIBRA
attualmente
in misura
RIVELATORE:
l’esperimento DAMA/LIBRA utilizza 25 rivelatori a scintillazione di
NaI(Tl) ultra-radiopuri di nuova generazione, costruito seguendo
nuove procedure di purificazione fisico-chimiche; l’apparato
consiste di circa 250 kg di massa-bersaglio ed è in misura da
Marzo 2003. E’ stato eseguito un miglioramento tecnologico
significativo che permetterà ulteriori ivestigazioni
STRATEGIA:
Per evidenziare la presenza delle particelle di Materia Oscura
nella nostra Galassia è possibile utilizzare la marcatura della
modulazione annuale. A causa del moto di rivoluzione della
Terra attorno al Sole, che a sua volta si muove nella Galassia,
il flusso delle particelle di Materia Oscura che attraversano la
Terra varia durante l’anno in modo peculiare: il segnale
rivelato dagli apparati sperimentali deve quindi soddisfare vari
requisiti molto stringenti.
Il risultato di DAMA/NaI e DAMA/LIBRA in
13 cicli annuali
I dati sperimentali raccolti nei primi 7 cicli annuali da DAMA/NaI e nei successivi 6 cicli annuali
da DAMA/LIBRA hanno evidenziato la presenza di un segnale modulato che soddisfa tutti i
requisiti della marcatura della modulazione annuale.
Conteggi di singolo rivelatore misurati
in un intervallo temporale definito
curva attesa per un segnale dovuto alle
particelle di Materia Oscura
Il risultato - che soddisfa tutti i vari requisiti della marcatura - mostra
con elevato livello di confidenza la presenza di particelle di Materia
Oscura nella nostra Galassia.
REAZIONI NUCLEARI DI
INTERESSE ASTROFISICO
LUNA: Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics
riprodurre in un laboratorio il cuore delle stelle
LUNA è un esperimento in grado di
produrre alcune reazioni nucleari che
avvengono nelle stelle e studiarle ad
energie il più possibile simili a quelle
reali. Questo è possibile grazie alla
roccia che sovrasta l’esperimento in
grado di attenuare fortemente il
disturbo dei raggi cosmici. Sfruttando
questo “habitat” unico al mondo, i
ricercatori sono stati in grado di
studiare reazioni mai verificate prima e
che hanno permesso di dimostrare che
l’Universo è più vecchio di quanto
finora conosciuto.
L’esperimento LUNA utilizza un acceleratore di protoni
e particelle alfa che funziona a 400 kV. Per studiare i
prodotti delle reazioni si usano rivelatori a germanio e
silicio.
Conclusioni
Cosmologia delle particelle
Fisica delle Particelle
studia la Natura
su piccola scala
Cosmologia
studia la Natura
su grande scala
