Un fantasma da Nobel
Che cos’è il neutrino?
Lucia Votano
NB: V = lettera greca, si legge ‘ni’ è, in Fisica, il simbolo del neutrino
Un fantasma da Nobel
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/
PYHÄSALMI
SOUDAN
SNO
BOULBY
Polkowice-Sieroszowice
SUL(Solotvina)
LSM
KAMIOKA
BNO
LSC
HOMESTAKE
UNIREA
LNGS
Y2L
OTO-Cosmo
Laboratori sotterranei nel mondo
Un fantasma da Nobel
Invisibili fantasmi ci circondano,
ci attraversano numerosissimi e si
aggirano per tutto l’Universo:
Sono i neutrini
Che cos’è un neutrino?
Cos’è l’oscillazione del neutrino?
Di cosa è fatto il mondo?
Rodin “Il Pensatore”
Antiche domande
•
•
•
•
•
Cosa c’è nell’Universo?
Di cosa è fatto e cosa lo tiene insieme?
Qual’è la sua origine?
E’ immutabile o cambia nel tempo?
Quale il suo destino futuro?
• Se scomponiamo la natura in parti
sempre più piccole o la osserviamo con
un microscopio sempre più potente,
cosa vediamo?
• E ’ possibile arrivare ai “ mattoni ”
fondamentali
(elementari)
della
materia?
Democrito di Abdera (Δημόκριτος)
(460 a.C. –360 a.C.),
Antiche domande: I filosofi presocratici
Democrito
(460-370 a.C)
L’atomo di Democrito
“ Gli atomi sono eterni e
1635 Peter Paul Rubens (1577-1640)
Museo del Prado, Madrid
immutabili, esistono in
varie forme e sono animati
da un continuo movimento
nello Spazio Vuoto”
La Scienza moderna
13 marzo 1610
Galileo Galilei
Che cosa hanno in comune?
Il mondo intorno a noi e l'intero Universo sono popolati da
una grande diversità di forme di materia, ma questa grande
varietà è composta da pochi e relativamente semplici
mattoni fondamentali.
I quark e l’elettrone sono i mattoni fondamentali di cui è
costituita la matera ordinaria stabile
Le forze fondamentali della natura
Le particelle elementari e le interazioni
Il Modello Standard e il Bosone di Higgs
La radiazione elettromagnetica interagisce con il
nostro corpo e vi deposita la sua energia (es: il Sole ci
scalda...)
I neutrini hanno una bassissima probabilità di
interazione e ci trapassano senza rilasciare energia
Spessore di acqua per bloccare un neutrino=
1.5 x 1021 cm = 1585 anni luce...
I neutrini durante il loro viaggio nell’universo possono
trasformarsi da un tipo al’altro, cambiando identità!
Questo fenomeno è chiamato OSCILLAZIONE dei neutrini
La teoria è stata formulata da
Bruno Pontecorvo già nel 1957
Grazie alla sua osservazione abbiamo capito che i neutrini hanno una massa!
e
e
e
e
e
Il neutrino è una particella elementare neutra
Esistono tre tipi di neutrini dotati di 3
differenti “cariche” dette “sapori”
Ha una massa così piccola (≈10-36Kg) che
l’uomo non ha ancora costruito una bilancia
capace di pesarlo
Neutrini e fotoni sono le particelle più diffuse
nell’universo di materia conosciuta
Electron neutrino
Muon neutrino
Tau neutrino
Oscillazione dei neutrini
Per spiegare il fenomeno dell’oscillazione dei neutrini
abbiamo bisogno della meccanica quantistica
In meccanica quantistica una particella è equivalente a un’onda
I tre neutrini e, , t sono una mescola di tre stati (tre onde)
di massa definita che chiamiamo 1, 2, 3
In modo speculare i tre 1, 2, 3 sono una mescola dei tre stati
di “sapore” definito e, , t
Due pendoli accoppiati
I sapori si mescolano
Oscillazione dei neutrini (cont)
Il “sapore” del neutrino (elettrone, muone o tau) è definito solo al
momento della creazione o della rivelazione, rimane indefinito nella
propagazione nello spazio e nel tempo
Viaggiando nello spazio e nel tempo, i tre neutrini di massa definita si
muovono a velocità diverse e quindi la mescola cambia in modo oscillante.
Un
può trasformarsi in un
Un
può trasformarsi in un
Se il fenomeno delle oscillazioni esiste
i neutrini devono avere una massa e tra loro diversa
L’oscillazione misura solo le differenze di massa
Oscillazione dei neutrini
Art McDonald
Takaaki Kajita
Il Puzzle dei neutrini
I neutrini solari
Il Sole
Nel nucleo del Sole centinaia di
milioni di tonnellate di Idrogeno al
secondo sono bruciate e convertite
in elio, con un rilascio di energia
sotto forma di fotoni, la luce che ci
illumina e ci scalda, e di neutrini.
Solamente i neutrini riescono a uscire immediatamente
dalla materia molto densa del nocciolo del Sole, i fotoni
rimangono intrappolati all’interno per centinaia di migliaia
di anni. Con i neutrini siamo in grado di scrutare la parte
più interna del Sole mentre utilizzando la radiazione
elettromagnetica possiamo osservarne solo la parte più
superficiale.
Lo spettro dei neutrini solari
MeV
Le oscillazioni dei neutrini solari
(1960) R. DAVIS miniera di Homestake- Sud Dakota USA
(Davis Nobel 2002)
(1989) Kamiokande Miniera Kamioka -Giappone
(1992) Gallex/GNO Laboratori del Gran Sasso – Italia
(2000) SuperKamiokande Miniera Kamioka – Giappone
(2001) SNO Miniera Creighton Sudbury – Canada
(Art McDonald Nobel 2015)
(2004) Borexino Laboratori del Gran Sasso – Italia
L’esperimento SNO
Profondità 2 Km
Sfera geodetica in acciaio
di diametro 17.8 m
10000 fotomoltiplicatori
Sfera interna materiale
acrilico contenente 1000
tonnellate di acqua
pesante
Possibilità di misurare i
neutrini di tutti i “sapori”
I neutrini atmosferici
La terra è continuamente colpita
da particelle provenienti dallo
spazio: I raggi cosmici primari
Nell’impatto
con
l’atmosfera
producono uno sciame di particelle,
una pioggia incessante che arriva
sino alla superficie
Neutrini prodotti dall’uomo con gli acceleratori di particelle
Cern-Neutrino-Gran-Sasso (CNGS)
Il fascio di neutrini prodotti a Ginevra nel complesso di
acceleratori del CERN e inviato al Laboratorio del Gran
Sasso passando sotto la crosta terrestre per 730 Km
Oscillazioni dei neutrini atmosferici e con
fasci di neutrini artificiali da acceleratori
(Anni 80) Gli esperimenti IMB–USA, Kamiokande–JP, Nusex–IT
mostrano primo deficit di neutrini muonici atmosferici
(1989)
Inizia esperimento MACRO al Gran Sasso
(1992)
IMB e Kamiokande sembrano escludere oscillazioni
(1993)
Primo progetto dettagliato CNGS approvato poi nel 1999
(1998)
SuperKamiokande conferma deficit e annuncia scoperta
oscillazione neutrini atmosferici (T. Kajita Nobel 2015)
(1998)
Macro conferma deficit e oscillazioni neutrini atmosferici
(2006)
MINOS, T2K,…. confermano
(2015)
OPERA-LNGS annuncia scoperta “diretta” delle oscillazioni
L’esperimento SuperKamiokande
Tanica in acciaio 39 x 42 m
50000 tonnelate acqua
13000 fotomoltiplicatori
Effetto Cerenkov
Da dove altro vengono i neutrini?
Dal Big Bang, dalle stelle, dai raggi cosmici, dalla nostra stessa Terra, dalle
centrali nucleari e dagli acceleratori di particelle e non solo...
Da dove vengono i neutrini?
La Terra
I decadimenti radioattivi sono accompagnati dall’emissione di (anti)
neutrini che chiamiamo geoneutrini che, arrivando indisturbati dal
mantello e dalla crosta terrestre, possono fornirci utili informazioni
sui meccanismi di produzione e trasporto del calore negli strati più
profondi che governano la dinamica terrestre.
Quattro miliardi di anni fa la Terra era ancora molto calda e costituita da
oceani fluidi di magma.
Tra le diverse cause delle altissime temperature primordiali della terra
c’è anche l’energia rilasciata nei decadimenti di alcuni isotopi radioattivi
presenti all’interno della Terra.
Da dove vengono i neutrini?
Supernovae
L’ultimo sospiro di una stella che muore è fatto di neutrini.
Questo catastrofico evento che va dal collasso fino
all’esplosione della stella si esaurisce al massimo in
qualche decina di secondi durante i quali un violento
fiotto di neutrini viene emesso in tutte le direzioni
nello spazio.
Da dove vengono i neutrini?
Il Big Bang e i neutrini più antichi
Età dell’Universo 13,8 miliardi di anni
La prima luce dopo 380000 anni
Le prime stelle dopo 500 milioni di anni
Ben prima della luce, a un decimillesimo di secondo dal Big
Bang, i neutrini sono apparsi nell’Universo.
Trascorso un secondo, il brodo primordiale si è raffreddato
abbastanza perché essi potessero muoversi liberi e oggi,
dopo quasi quattordici miliardi di anni, sono numerosissimi.
(330 neutrini per centimetro cubo in tutto l’Universo)
Da dove vengono i neutrini?
Neutrini astrofisici
NGC 5128
Centaurus A
Neutrini di altissima energia (> 1012 eV) sono prodotti dentro la
nostra galassia e in tutte galassie da mostruosi oggetti cosmici
quali i Nuclei di Galassie Attive (AGN), Lampi di luce Gamma (GRB),
Pulsar, etc.. che agiscono come dei giganteschi acceleratori di
particelle.
La nascita dell’astronomia neutrinica ha inaugurato un nuovo modo di
osservare il cielo
Da dove vengono i neutrini?
Neutrini prodotti dall’uomo
Le centrali nucleari a fissione nucleare sono sorgenti
controllate di un copioso flusso di antineutrini che sono
utilizzati dai fisici per studiarene le caratteristiche.
Conclusioni
I neutrini sono un argomento di grande
attualità e interesse per i fisici di tutto il
mondo.
Il Premio Nobel 2015 lo testimonia.
Le
oscillazioni
dei
neutrini
hanno
dimostrato che i neutrini hanno massa.
Il Modello Standard delle particelle e delle
interazioni ha mostrato i suoi limiti e va
esteso
Conclusioni
Molto rimane ancora da scoprire..
Per esempio non sappiamo se il neutrino
coincide con la sua antiparticella come
ipotizzato da Ettore Majorana
Il saperne di più ci aiuterà a capire meglio
sia il mondo infinitesimo delle particelle
subnucleari, sia la nascita e evoluzione
dell’universo.
