galileiDic2015

Francesco Vissani
Gran Sasso Science Institute & Laboratori del Gran Sasso
Partendo dal premio Nobel in fisica appena assegnato,
discutiamo alcune delle piu’ recenti scoperte che
riguardano le sfuggenti particelle neutre dette “neutrini”
L’annuncio del premio Nobel in fisica di quest’anno
Tratto dal sito web del comitato del Nobel, in cui si possono reperire
materiale ed informazioni utili. Il motivo di questo premio e’ la scoperta
delle “oscillazioni di neutrino”: iniziamo a discutere cosa e’ un neutrino.
Un neutrino e’ una particella neutra e quasi invisibile. Quando reagisce con la
materia, produce una particella visibile, che sembra provenire dal nulla.
(non per niente il primo esperimento che li ha visti si chiamava “Poltergeist”)
Neutrino
raggio β+
raggio β-
Neutrino
Ci sono tre tipi di neutrini. Li distinguiamo per le
particelle che producono quando reagiscono con la
materia. Esse hanno masse molto diverse.
illustrazione dei concetti 1) ci sono tre neutrini, 2) neutrino=particella invisibile e
neutra e 3) le rispettive particelle visibili sono assai diverse
Per esempio, un elettrone (molto leggero) apparentemente proveniente
dal nulla e’ la spia della presenza di un neutrino di tipo elettronico.
Nel corso di mezzo secolo, molti
esperimenti hanno misurato i
neutrini elettronici dal sole.
Nessuna di queste misure va
d’accordo con i calcoli.
Una spiegazione e’ quella della legge
di Murphy: ogni volta che qualcosa
puo’ andare male, lo fara’.
Un’altra, quella preferita da molti
scienziati, e’: finche’ non si fa la
prova, non si sa davvero la risposta.
• I neutrini elettronici che riceviamo dal sole sono circa la meta’
di quanti ce ne aspettiamo. Non vengono prodotti neutrini
muonici o tauonici ma non potremmo neanche vederli, siccome
la loro energia e’ troppo piccola
• L’esperimento di McDonald ha pensato allora di misurare
numero totale di neutrini. Ha trovato che Il totale e’ OK
• Allora, facendo la differenza, concludiamo che ci devono
essere anche neutrini muonici e tauonici
il
Il trucco usato: tutti e 3 i tipi di neutrini solari dissociano il deuterio.
Il sole produce neutrini elettronici. Siccome ne mancano parecchi all’appello,
la conclusione e’ che alcuni di questi si devono trasformare e cambiare tipo
strada facendo, diventando muonici e/o tauonici. Il totale resta invariato.
Come sarebbe a dire che una particella cambia tipo? Un noto collega cui fu chiesto di
cercare una spiegazione, si sbilancio’ ad usare una analogia perlomeno audace:
Temo che in questo modo passi il messaggio “e’ roba solo per fisici” o peggio. Per
questo, vorrei fare un altro tentativo, e dirvela proprio nel modo in cui la pensiamo.
Ci sara’ utile l’analogia tra neutrini e luce. Cominciamo a
ricordare che la luce e’ un onda elettromagnetica
La luce puo’ essere “polarizzata” usando dei filtri:
Il filtro seleziona una direzione del campo elettrico - qua sopra, e’ la
verticale – e sopprime l’altra
La luce e’ polarizzata o in un verso o nell’altro; piu’
precisamente, le due direzioni sono esclusive tra loro.
Per capirlo bene, proviamo a sovrapporre due filtri
Una applicazione: il 3D al cinema
Si simula la percezione dello spazio inviando ai due occhi due immagini
diverse. Anni fa si usavano lenti rosse e verdi (ma in quel modo si distorcevano
i colori). Oggi viene fatto usando lenti con polarizzazioni ortogonali.
 La luce e’ un onda composta da particelle: I fotoni
 Le due polarizzazioni della luce corrispondono a fotoni diversi
 (in analogia con: neutrino elettronico / neutrino muonico!!!)
 Chiediamoci: forse i due fotoni si possono trasformare tra di loro?
Oh, si ! E’ un po’ complicato da capire, ma
proviamo a veder insieme come funziona
Al fine di ruotare la polarizzazione del fotone (in rosso) di
90 gradi, vogliamo invertire la componente verde
Prima
Dopo
Come si fa
Esistono sostanze trasparenti alla luce, con velocita’ di propagazione diverse per
polarizzazioni ortogonali. Partiamo dal caso in cui la polarizzazione e’ in una direzione obliqua
(sx). Consideriamo le due componenti della polarizzazione, che all’inizio sono in fase. La
componente verticale (verde) viaggia piu’ lentamente. Non appena la componente verde va
in contro-fase con quella blu, otteniamo la polarizzazione in direzione ortogonale (dx).
La luce attraversa la sostanza…
Prima
Dopo
….e il fotone si trasforma: il cane diventa gatto
 Neutrino elettronico=due onde in fase
 Assumiamo che le due onde hanno massa diverse
 Quindi, si propagano a velocita’ diverse
 Allora, dopo un po’ le due onde finiscono in contro-fase
 Neutrino muonico=due onde in contro-fase
Il neutrino nel linguaggio della
meccanica ondulatoria
Partiamo da un neutrino elettronico (in fase); poi ne otteniamo uno
muonico (contro-fase); poi ritorna elettronico; e cosi’ via.
(nel caso reale, le oscillazioni sono parziali e non totali e mettono in gioco anche i neutrini tau)
 La luce e’ un onda che e’
composta da fotoni
 Anche i neutrini sono onde e
particelle
 Ci sono due tipi di fotoni
 Ci sono tre tipi di neutrino
 Quando si trasformano, lo
attribuiamo ad un mezzo con
velocita’ diverse pei due fotoni
(si usa per analisi chimiche)
 Siccome
si
trasformano
spontaneamente, sappiamo
che son composti di onde con
masse - e velocita’ - diverse
Percio’ nel Nobel dicono “che i neutrini hanno massa”.
•
Sappiamo che ci sono tre tipi di neutrini. Molti esperimenti han
mostrato che dopo un certo cammino si trasformano tra di loro.
•
Questo fatto va d’accordo con l’idea (propria della meccanica ondulatoria) che i
neutrini sono composti da onde di massa diverse.
•
I neutrini non han massa nel modello di particelle piu accreditato
(modello standard) ma la regola e’ semplice: prima i fatti, poi la teoria.
•
Per questo i fisici sono al lavoro per cambiare questo modello nella
speranza di impararne qualcosa di interessante.
From Reines’ Nobel lecture (‘95)
C’e’ una direzione in cui le cariche si possono muovere;
in quella direzione, il campo elettrico viene smorzato
• Teoria: Pontecorvo 57-67; Sakata et al 62-63; Wolfenstein 78; Mikheyev-Smirnov
85. [Bahcall 64-06]
• Anomalia neutrini solari: Homestake 68-98; Kamiokande 82-89; Gallex & Sage 91…; Super-Kamiokande 98-…; SNO 99-13; Borexino 07-…
• Anomalia neutrini atmosferici: Kamiokande 82-89; MACRO 98-04; SuperKamiokande 98-…; Soudan 99-05; Antares 12-…; IceCube 14-…
• Anomalia neutrini in lab: K2K/T2K 99-…; KamLAND 03-…; MINOS 06-…; OPERA
10-15; Daya Bay 12-…
In rosso i vincitori di `Nobel prize’; in blu quelli di `breakthrough prize’. I premi per Homestake e Kamiokande (2002) non riguardano la scoperta
delle oscillazioni. Gli esperimenti italiani sono Gallex, MACRO, Borexino, OPERA.