Seminario_Strolin
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Paolo Strolin IL NEUTRINO Gennaio 2005 • Il neutrino nel mondo delle particelle: pre-istoria e storia • A che servono i neutrini ? • Enigmi Fisica Astrofisica Cosmologia • Come si “vedono e studiano”: due linee di ricerca sperimentale, come esempi Per sapere di più Versione estesa del seminario www.na.infn.it Anno Mondiale della Fisica Per le Scuole Seminari Oppure Attività di ricerca Fisica Sperimentale delle Particelle OPERA/CHORUS Educational Materials Un buon sito sul neutrino wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/neut.html Becquerel, 1896 Scoperta della radioattività naturale: emissione di “raggi” dall’uranio (quasi per caso) Lastre fotografiche al buio registrano una misteriosa “radiazione” Una Croce al Merito dà “ombra” 1897 M. Curie: natura atomica della “radioattività” a g b e Elementi “radioattivi” (Uranio, …) 1899 Rutherford: raggi differenti a , b , g n 1903 Rutherford e Soddy: fenomeno associato a una trasmutazione di elementi chimici 1909 Bucherer: i raggi b hanno lo stesso q/m degli elettroni: sono elettroni 1930 Ipotesi di Pauli sull’esistenza del n : nel decadimento b assieme all’elettrone è emessa una particella “invisibile” (neutra), poi chiamata “neutrino” da Fermi Le basi dell’ipotesi di Pauli sull’esistenza del “neutrino” “Spettro b” nel decadimento di un nucleo in uno più leggero eventi Edisponibile = DMnuclei c2 Eelettrone se emesso da solo, l’elettrone prende sempre tutta l’energia disponibile dove è andata? Eneutrino (ma non è così) Energia dell’elettrone mn >0 Ipotesi di Pauli: energia mancante rubata da una particella invisibile (neutra): Eelettrone può al limite raggiungere Edisponibile n mn = 0 Emissione dell’elettrone nel decadimento b: una apparente violazione del “nulla si crea, nulla si distrugge” Ma secondo Einstein (1905) energia materia E dopo la scoperta dell’anti-materia Equazione di Dirac (1928); scoperta del positrone (Anderson, 1932) g ee+ w- en elettrone positrone (anti-elettrone) energia elettrone anti-neutrino materia + anti-materia Includendo nel bilancio energia , materia e anti-materia di nuovo “nulla si crea e nulla si distrugge” e abbiamo ... Abbiamo così parlato della preistoria del n (come per l’uomo, in assenza di scrittura il racconto viene da altro) Rouffignac (Francia) Lascaux (France) (era geologica: Pleistocene) (~ 15.000 A.C.) Grotta dei Cento Mammuth Uomo and “uro” ( bue selvaggio di specie estinta) “Osservazione diretta” del neutrino tramite le sue rarissime interazioni (“deboli”) (Pontecorvo 1946; Reines e Cowan 1956, 26 anni dopo l’ipotesi di Pauli) rivelatore di particelle di grande massa reattore nucleare n intenso flusso di n p e+ n + p e+ + n n neutro, p rincula pochissimo: nessuno dei due viene visto La “firma” del neutrino nulla di visibile entra, esce un positrone Con l’osservazione della “scrittura” del neutrino finisce la sua preistoria! Iscrizione fenicia su foglia d’oro trovata a Pyrgi (Lazio) Le Particelle Elementari* un secolo dopo Becquerel tre “famiglie” Quarks u d c s t b Leptoni ne e nm m nt t tre neutrini Il neutrino: • è la particella elementare ancora più misteriosa • ha un ruolo importantissimo anche in Astrofisica e in Cosmologia * Sono “elementari” in senso assoluto? Emergerà un giorno una struttura più profonda della materia? A che servono i neutrini? Senza neutrini, il Sole non darebbe calore ! Non ci saremmo noi, non ci sarebbe frutta sulla Terra. Infatti …. Michelangelo Merisi, detto il Caravaggio (1573-1610) Cestino con frutta (1590?), Galleria Ambrosiana (Milano) Il Sole e le stelle sono reattori a fusione nucleare Troppa energia viene irradiata, non può venire da reazioni chimiche (Eddington , 1920) “ciclo p-p” +e+ + n p+p d + e+ + + g d+p 3He + + 3He 4He + 2p 4He + 3He p+p con protone n g n + g + ... neutrone Il neutrino è un ingrediente necessario! senza il neutrino Sole e stelle non splenderebbero luce e calore I neutrini (n) accompagnano la radiazione elettro-magnetica (g) che ci illumina e scalda! Egualmente abbondanti ma invisibili Sulla Terra ~ 1011 n / cm2 sec ! Perché siamo sensibili solo alla radiazione elettro-magnetica (I.R., luce, U.V., g) ? La radiazione elettro-magnetica interagisce con il nostro corpo e vi deposita la sua energia (calore) I neutrini ci attraversano senza interagire: non hanno alcun effetto! radiazione elettro-magnetica n n I neutrini attraversano perfino la Terra senza interagire! E ora veniamo agli enigmi! Juan Miró (1893-1988) Il bel volatile decifra l’incognito a una coppia di innamorati Museum of Modern Art (New York) Le proprietà fisiche del neutrino carica elettrica 0 momento angolare di “spin” ½ interazione con la materia “debole” massa piccolissima ma > 0 “mescolamento” parzialmente conosciuto: ? violazione della “simmetria CP” ?? n n (Dirac) o n = n (Majorana) altre proprietà ?? ?? Bassissima probabilità di interazione negli apparati sperimentali (“rivelatori”) Esperimenti difficili Ancora molti misteri sul neutrino recenti scoperte con molto lavoro ancora da fare per una maggiore comprensione Il neutrino e le sue proprietà sono un punto nodale nella ricerca Fisica n Astrofisica Cosmologia Fisica Delle Particelle Elementari Il neutrino come “apri-pista” mn > 0 : il primo indizio sulla fisica nella “terra incognita” oltre il cosiddetto Modello Standard, … Astrofisica I neutrini come “messaggeri di conoscenza” Fisica del Sole e delle stelle Collassi stellari e Supernove Origine dei raggi cosmici dalla nostra o da lontane galassie, … COSMOLOGIA I neutrini come “ingredienti essenziali” Neutrini “reliquie” del Big Bang (permeano l’universo come le micro-onde della Radiazione Cosmica di Fondo) Materia Oscura ed evoluzione dell’Universo Lo vedremo in relazione alle linee di ricerca portate come esempio Evidenza della “Materia Oscura” da galassie in rotazione Effetto Doppler: la frequenza dipende dalla velocità rispetto a noi Radiazione elettromagnetica (luce, … ) Velocità delle stelle Velocità di rotazione Sunflower galaxy attesa dalla massa “visibile” dati sperimentali (velocità, e quindi massa, molto più grandi) Materia Oscura! massa “visibile” Distribuzione delle velocità di rotazione delle stelle nelle galassie Distanza dal centro galattico Materia Oscura ~ 10 x materia visibile! Una misura di quanto vi è ancora da scoprire Determina l’evoluzione dell’Universo Materia nota dell’Universo Materia “visibile” emette radiazioni elettromagnetiche: onde radio, micro-onde, I.R., luce, U.V., raggi X Radiazione elettro-magnetica “reliquia” del Big-Bang Gamow 1948, Arno e Penzias 1965 ~ 400 / cm3 a 2,7 °K, 10 miliardi di volte più numerosa delle particelle di materia Neutrini “reliquie” del Big-Bang altrettanto abbondante Che cosa potrebbe essere Materia Oscura? • in parte da mn > 0 (visto l’enorme numero di neutrini reliquie del Big-Bang) • particelle elementari tuttora ignote? • corpi macroscopici ? •? E ora un poco di “magia” Parte in viaggio → Pietro Nel viaggio magicamente si “scompone” in Giuseppe e Giovanni di cui sia Pietro e che Paolo sono“miscugli”: Pietro è più Giuseppe che Giovanni, Paolo più Giovanni che Giuseppe All’arrivo del viaggio fatto assieme Giuseppe e Giovanni si “ricompongono” di nuovo in → Giuseppe Giovanni Pietro Pietro … ma se Giuseppe e Giovanni viaggiano diversamente c’è una certa “probabilità” che Giovanni predomini e all’arrivo si ricompongano non in Pietro ma in → Giuseppe Giovanni Paolo Per i neutrini è sempre magia secondo le leggi della Meccanica Quantistica! (e in Meccanica Quantistica si parla sempre in termini di probabilità) Le “oscillazioni” di neutrino: il metodo più sensibile per studiare la massa del neutrino Un raro e singolare effetto di Meccanica Quantistica che si verifica se mn > 0 Nel loro cammino, i neutrini possono cambiare identità! (come vista dalle loro interazioni in un apparato sperimentale) L’acceleratore di particelle produce Giuseppe nm Pietro Giovanni un miscuglio di n 1, n 2 e n 3 se mn > 0 , n1, n2 e n3 viaggio si propagano diversamente e diverso il loro miscuglio cambia L’esperimento talvolta vede Giuseppe Giovanni nt Paolo un miscuglio diverso da nm M.C. Escher, Metamorphose III (1967-68), parte di una xilografia di 0.2 m x 7 m Come i fisici “vedono e studiano” i neutrini Come esempio due linee di ricerca sperimentale: • La ricerca di “oscillazioni di neutrino” nm-nt • L’osservazione di neutrini cosmici di altissima energia Ricerca di “apparizione” di nt in un puro fascio di nm • Il nt interagisce nell’apparato sperimentale e produce la sua particella associata, il leptone t • Il leptone t vive ~ 10-13 s e decade entro solo ~ 1 mm • Essendo i neutrini invisibili, il decadimento è identificato da una corta traccia apparentemente spezzata, → ESPERIMENTO CHORUS al CERN di Ginevra su un fascio di neutrini prodotti dall’acceleratore di particelle nm oscillazione? nt t “gomito” - m nt - nm t Formica del falegname Per la ricerca del raro gomito di decadimento a scala < 1 mm e su una grande massa 10 cm 0,1 mm (un “ago nel pagliaio” di quasi un milione di interazioni di nm ) Sviluppi tecnologici: Emulsioni Nucleari* → altissima risoluzione spaziale Microscopia automatica → altissima velocità di analisi * Come pellicole fotografiche, ma - sensibili a singole particelle - risoluzione spaziale < 0,001 mm - immagine in tre dimensioni 0,1 mm Interazione di nm vista con risoluzione spaziale micrometrica in emulsione nucleare Microscopio per analisi automatica veloce di immagini in tre dimensioni Interamente controllato da computer Applicazioni anche in altri campi: es. biofisica Immagine “tomografica” digitizzata in tre dimensioni Terza dimensione: spessore emulsioni Telecamera veloce Ottica Emulsioni Ottica ~ 0.003 mm di profondità di fuoco mettendo a fuoco diverse profondità emulsione nucleare Telecamera “fette ottiche” Supporto mobile Rivelatori Elettronici CHORUS Una “macchina fotografica” da 800 kg per il nt Corredata da rivelatori elettronici (fibre ottiche scintillanti e altre tecniche) Definiscono l’istante dell’interazione Localizzano gli eventi nelle emulsioni m Contribuiscono alla ricostruzione dell’evento calorimetro h Bersaglio per i neutrini spettrometro per i muoni spettromettro per gli adroni n piani di veto 800 kg di emulsioni nucleari per vedere il nt in 3D Verso il futuro nella ricerca delle oscillazioni nm-nt Da esperimenti con • neutrini solari • neutrini prodotti da interazioni di raggi cosmici con l’atmosfera La massa del neutrino risulta molto più piccola di quella indagata da CHORUS Per vedere un effetto bisogna “far viaggiare più a lungo” i neutrini (la tecnica di CHORUS resta valida) Quindi tra qualche anno … esperimenti con n dal CERN al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (INFN) nm nt ? I neutrini: messaggeri dal Cosmo e dalle stelle I neutrini cosmici viaggiano su distanze enormi Senza assorbimento (a differenza di luce, raggi g , … ) Non deflessi da campi magnetici (a differenza delle particelle cariche) i protoni sono deflessi o assorbiti la radiazione elettromagnetica è assorbita solo i neutrini possono giungere a noi dalle sorgenti più lontane I neutrini prodotti nelle reazioni nucleari all’interno del Sole emergono da esso e ci forniscono informazioni di “Astrofisica Solare” I neutrini dal Cosmo e dalle stelle Eccezionali messaggeri di conoscenza ↓ “Astrofisica con Neutrini” Premio Nobel 2002 a Davis e Koshiba per avervi dato inizio Che ci insegnano i neutrini provenienti dal cosmo? “Reliquie” del Big-Bang Energia Neutrini Solari Che successe negli istanti iniziali? Saranno un giorno osservati? Come funzionano le stelle? Massa del neutrino Vari esperimenti, anche al Gran Sasso Neutrini da Supernove Quali sono i meccanismi? Osservati una sola volta (SN 1987A) Neutrini ad altissima energia Quale è l’origine dei Raggi Cosmici? Osservazioni ancora alla prima infanzia Seguiremo la traccia dei neutrini ad altissima energia Possibili sorgenti di raggi cosmici e n di altissima energia: giganteschi acceleratori cosmici Sorgenti galattiche Residui di Supernove Sistemi binari attorno a una Pulsar (stella di neutroni in rapida rotazione) o a un Buco Nero Sorgenti extra-galattiche Buco nero gas e polveri jet di raggi cosmici Nuclei Galattici Attivi Nube di gas (quasars) disco di accrezione Come si possono “vedere” i neutrini cosmici ad altissima energia Cielo degli antipodi I neutrini attraversano la terra I neutrini (muonici) interagiscono e generano muoni Un apparato sperimentale rivela muoni di altissima energia La rivelazione dei muoni prodotti dai neutrini “Occhi elettronici” La rarità dei neutrini di altissima energia richiede un rivelatore di grandissima massa La rivelazione di luce Čerenkov nell’acqua del mare è la tecnica più economica (Foto-Moltiplicatori) guardano verso il basso e rivelano la luce generata dai muoni I muoni generano luce per effetto Čerenkov mare muone … approfittando delle tecnologie subacquee sviluppate principalmente per il petrolio interazione con la materia neutrino Il rivelatore ANTARES 0.1 km3 , in preparazione a -2400 m nel mare di Tolone, Francia buoy optical modules anchor robot submarine File di Moduli Ottici Un Modulo Ottico: ancorate al fondo e tenute tese da galleggianti (notare il piccolo sottomarino da prospezione) tre “occhi elettronici” entro sfere di vetro resistenti alla pressione Il rivelatore ANTARES, schematicamente Laboratorio vista dall’alto Modulo Ottico con 3 “occhi” 13 file, ~1000 “occhi” bussola, clinometro fila di “occhi” ~300 m P elettronica scatola di giunzione cavi sonda acustica 2400 m Idrofono galleggiante ancora cavo elettroottico (~40 km) Il progetto NEMO un rivelatore da 1 km3 al largo di Capo Passero (Sicilia) muone atmosferico 3500 m muone prodotto dal neutrino neutrino Il rivelatore ICECUBE nella profondità dei ghiacci dell’Antartico userà una simile tecnica e avrà una simile massa Assieme esploreranno il Cosmo nei due emisferi … e per concludere, il neutrino offre Fisica n • Astrofisica → un bellissimo campo di ricerca Cosmologia • Esperimenti difficili e delicati → sfida per fisici sperimentali • … di dimensioni “umane” → soddisfazione individuale • Sviluppo di nuove tecnologie → una attività formativa • Lab. locali e internazionali → esperienze stimolanti • Simbiosi ricerca-didattica → Lauree e Dottorati
