Viaggio al centro della Terra a cavallo dei neutrini

Viaggio al centro della Terra
a cavallo dei neutrini
Roma, 6 aprile 2011
Gianpaolo Bellini- Universita' e
INFN- Milano
Di cosa parlero’
@ Cosa sono i neutrini ?
@ Come e’ costituita la Terra?
@ A cosa e’ dovuto il calore all’interno della Terra?
@ Perche’ studiare i neutrini emessi dalla Terra?
@ Cosa abbiamo imparato finora?
Roma, 6 aprile 2011
Gianpaolo Bellini- Universita' e
INFN- Milano
Facciamo un passo indietro: cosa sono le
particelle elementari?
Sono i costituenti elementari della materia
Le particelle stabili che costituiscono la materia sono:
Elettrone: costituente dell’atomo; obbedisce alle forze elettromagnetiche
Protone e Neutrone ( in verita’ il n vive in media :886,8 s): costituenti del
nucleo; obbediscono alle forze nucleari forti
Neutrino, avente carica 0, e massa molto piccolaesso e’ disaccoppiato dalla materia
Ma ci sono molte altre particelle instabili, che si trasformano cioe’ dopo
tempi molto piccoli ( da un miliardesimo di secondo a molto meno) in
altre particelle
Roma, 6 aprile 2011
Gianpaolo Bellini- Universita' e
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Ma come si studiano le particelle ?
Creando delle situazioni dinamiche si accelerano
particelle stabili
come il protone
e si inviano contro
altri protoni, o
contro dei bersagli
materiali.
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p (fermo)
p (1TeV)
1013 cm
24
t

310
s
10
310 cm /s
1012 1.6 1019 J
16
P

5
10
W  10000TW
24
310 s
Equivale a parecchie migliaia di centrali nucleari

Little Bang
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BIG BANG
Separazione
RadiazioneRoma, 6 aprile 2011
Particelle (A)
Formazione dei nuclei con particelle
stabili- le particelle instabili prodotte
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nel BB sono decadute (B)
INFN- Milano
Fase A
Fase B
C.M.B. a 3 K; residuo fossile della radiazione
separatasi nella fase A
Fondo di neutrini nell’universo: ~300/cm3; residuo
fossile dei prodotti di decadimento delle
particelle instabili prodotte nel BB
A
C+D+E
F+G
L+M (stabili)
D+H+I
particelle stabili =p,n,eMa p ,e-, n formano la materia
Roma, 6 aprile 2011
D+L+..
part. stabili
I neutrini rimangono disaccoppiati
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

P
R
O
P
R
I
E
T
A’
• ha carica nulla
• ha massa molto piccola
• ha spin, cioe’ ruota su su stesso come una trottola,
girando in modo antiorario. Se esistesse un neutrino destrorso
(non lo sappiamo ancora) sarebbe sterile
• ha una bassissima probabilita’di interagire con altre particelle:
puo’ attraversare l’Universo rimanendo indisturbato
• come tutte le particelle esiste la sua antiparticella (antineutrino)
Quindi e’ una formidabile sonda per esplorare zone
irraggiungibili: interno del Sole e della Terra, lontano
Universo, ecc.
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Esempio:
@ I fotoni, prodotti all’interno del Sole,
impiegano
ca.100000 anni ad uscire dalla nostra stella,
mentre i neutrini escono da essa in 2-3 secondi: quindi i
neutrini danno informazioni sul funzionamento del Sole in
tempo reale.
@ I neutrini sono I primi messaggeri a raggiungerci quando
esplode una Supernova.
@ Come abbiamo gia’ detto, possono attraversare l’Universo
rimanendo indisturbati.
@ Ma ugualmente attraversano la Terra senza
essere
perturbati
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Nocciolo interno -SOLIDO
Earth structure
•Dimensioni della Luna;
• lega Fe – Ni ;
• solido a causa dell’alta
pressione,malgrado la
temperatura di ~ 5700 K;
Nocciolo esterno-liquido
•Spessore 2260 Km- lega Fe-NI
• liquido•temperatura ~ 4100 – 5800 K;
• geodynamo:
Moto di liquido conduttivo;
D’’ layer: transizione mantellonocciolo
• spessore: ~200 km;
• discontinuita’ sismica;
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Mantello inferiore
•
alto rapporto Mg/Fe ;
• T: 600 – 3700 K;
• alta pressione: viscoso;
• spessore:~2000 km
Zona di transizione
•400-650 km di spessore
•Sede delle fessurazioni
oceaniche;
Mantello superiore
Altamente viscoso, sul quale galleggiano le placche tettoniche
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La crosta terrestre
• Crosta oceanica:
• spessore ~ 10 km;
•Sede delle
fessurazioni oceaniche
• Crosta continentale ;
• spessore: 30 – 70 km ;
• metamorfico,
• Sede di rocce sedimentarie
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Come avere informazioni sull’interno della Terra?
Sismologia
P – onde longitudinali
S – onde trasversali
Informazioni sulla densita’ e sulla
fase:liquido o solido;
ma non si ottengono informazioni
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sulla composizione chimica
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Geochimica
Calore terrestre
1) Misure dirette
@carotaggi (max:12 km.) nella
crosta continentale; meno
profondi in quella oceanica
@rocce portate dalla eruzioni
vulcaniche
@studio del mantello dalle
fessurazioni oceaniche
2) Modelli geochimici
@meteoriti
@composizione del Sole
19-46 TW stima dell’energia termica
dovuta ai decadimenti
radioattivi-georeattore
238U
Bulk Silicate Earth (BSE)
Evoluzione del mantello dalla sua
costituzione primordiale dopo la
separazione Fe-Ni, ma utilizzando
anche le misure dirette.
Roma, 6 aprile 2011
31-46 TW gradiente di temperatura
nella crosta-gradiente nelle
fessure oceaniche
 206Pb + 8 a + 8 e- +
+ 6 anti-neutrinos + 51.7 MeV
232Th
 208Pb + 6 a + 4 e- +
+ 4 anti-neutrinos + 42.8 MeV
40K
 40Ca + e- +
+ 1 anti-neutrino + 1.32 MeV
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Vi sono nel mondo solo due rivelatori capaci di studiare i
geoneutrini
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Zona del Gran Sasso
Misura del sedimento
Studio della crosta
(Engadina)
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Studio dei geoneutrini per sapere:
@- Qual’e’ la frazione di calore terrestre prodotto dai
decadimenti radioattivi
@- Quanto calore radioattivo e’ prodotto nel mantellodifferenziazione fra crosta continentale e crosta oceanica
@- C’e’ radioattivita’ anche nel nocciolo?
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Come si rivelano gli anti-neutrini
g (0.511MeV)
PROMPT SIGNAL
e+
e
p
Evisible = Te + 2*0.511 MeV =
= Tgeo- – 0.78 MeV
g (0.511MeV)
p
n
n
DELAYED SIGNAL
mean n-capture time on p
200 ms
g(2.2MeV)
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Antineutrini da reattori.
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Studio delle caratteristiche dei reattori- “data base” e
contatti diretti con IAEA e EdF
•
•
•
•
•
•
Composizione del combustibile
Flusso di antineutrini
Spettro in energia
Potenza media mensile o settimanale
Distanza dal Gran Sasso
Probabilita’ di interazione dell’ antineutrino
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Simulazione di eventi falsi da parte della radioattivita’
Naturale:
neutroni prodotti da muoni cosmici
@ altissimo livello di purificazione

@ ottimo schermo delle rocce dai raggi cosmici- laboratorio
underground
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Detector design and layout
Stainless Steel Sphere:
2212 photomultipliers
1350 m3
Scintillator:
270 t PC+PPO in a 125 mm
thick nylon vessel
Water Tank:
g and n shield
m water Ch detector
208 PMTs in water
2100 m3
Nylon vessels:
Inner: 4.25 m
Outer: 5.50 m
20 legs
Carbon steel plates
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Design based on the
principle of graded
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shielding
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Records in the radiopurity achieved by Borexino
Material
Typical conc. of
the unpurified
materials
scintillator
14C/12C<10-12
14
- Hall C dust
- stainless. steel
- nylon
~1 ppm
~1ppb
~1ppt
1017 1018 g /g
Knat
Hall C dust
~1 ppm
222Rn
- external air.
- air underground
~20 Bq/m3
~40-100 Bq/m3

 1 mBq /m 3
85Kr
in N2 for stripping
~1.1 Bq/m3
~13 mBq/m3 
~ 0.16 mBq / m 3
14C
238U,232Th
equiv.
39Ar
- 222Rn
- 238U,232Th equiv.
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LNGS - Hall C water


~50 Bq/m3
~10-10 g/g 
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Radiopurity levels
in the Bx
scintillator
C/12C  2 1018
 1014 g / g
~ 0.5 mBq / m 3
~ 30 mBq / m 3
~ 1014 g / g
0,0000000000000000002 g di contaminante radioattivo
a fronte di 1 g di materiale rivelante
Cioe’ un miliardesimo di un miliardesimo di materiale
e’ radioattivo
Emissione dalle rocce assorbite dalle 2100 tonnellate
d’acqua, purificata anch’essa
Schermo ai raggi cosmici da 2500 m circa di roccia.
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Interno del Counting Test Facility
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Spettro aspettato
teoricamente
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Come si dovrebbe
osservare nel rivelatore
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BOREXINO 2010
• Presa
dati: Dec 2007 to Dec 2009; 537.2 giorni effettivi
•21 anti- candidati in totale
Simulazione con il
computer
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Risultato sperimentale
Confronto con i modelli
68%, 90% and 99.73% C.L.
Max radiogenic
BSE
Min radiogenic
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Kamland
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Moto conduttivo nel mantello- rete di esperimenti nel mondo
Mappa delle differenze di distribuzione di calore nel mantello
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Esperimenti futuri
SNO+
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Conclusioni
@ E’ dimostrata l’esistenza dei geo-neutrini, antineutrini emessi nei
decadimenti radioattivi all’interno della Terra
@ Essi provengono sia dalla Crosta sia dal Mantello
@ I decadimenti radioattivi sono la principale sorgente di calore terrestre;
forse essi producono il 100% del calore terrestre.Per conoscere la
percentuale esatta bisogna raccogliere piu’ dati (2-3 anni)
@ La dislocazione del calore all’interno del mantello, causa dei
fenomeni vulcanici e tettonici, potrebbe essere ottenuta mediante un
certo numero di esperimento, tipo Borexino, dislocati in vari punti sulla
Terra ( 2 funzionanti e due in progetto- almeno 10 anni)
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