neutrini - Roberto Masella

Il Neutrino
1. Origine neutrini

Una particella elementare... molto particolare! Una trottola fatta di niente!...
Ma molto comune nel nostro Universo!
 Carica elettrica : 0
 Moimento angolare intrinseco (legato al suo moto di rotazione su se stesso):
1/2
 Interazioni di cui risente: debole
 Ha una massa nulla ? : ?
 Concide con la sua antiparticella ? :?

Il Sole produce circa 1038 neutrini al secondo; di essi, circa 60 miliardi al
secondo attraversano ogni centimetro quadro della superficie terrestre, e l'energia
di questi neutrini è dell'ordine del MeV (minore di 20 MeV).
Fonte: http://www.scienzapertutti.it

La radiazione elettromagnetica interagisce con il nostro corpo e vi deposita
la sua energia (calore). I neutrini hanno una bassissima probabilità di interazione e
ci trapassano senza rilasciare energia (per fortuna!)
Neutrini
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Fonte: http://www.scienzapertutti.it

Ogni secondo, un uomo è attraversato da
 400000 miliardi di neutrini provenienti dal Sole
 50 miliardi di neutrini dalla radioattività delle rocce terrestri;
 da 10 a 100 miliardi di neutrini provenienti da tutte le centrali nucleari
mondiali.

Ma attenzione: il corpo umano contiene circa 20 mg di Potassio 40, che è
beta-radioattivo: quindi, noi stessi emettiamo circa 340 milioni di neutrini al
giorno, che ci lasciano alla velocità della luce e si perdono nell'immensità
dell'Universo
 I neutrini sono le particelle più abbondanti nell’universo, hanno origine
diversa, hanno iniziato a darci informazioni sui processi nei quali sono coinvolti.

Neutrini solari : ll Sole è una potente sorgente di neutrini che vengono
prodotti nel nucleo mediante le reazioni termonucleari
della catena
protone-protone.
Fonte immagine www.pd.astro.it

Neutrini
Neutrini stellari: Tutte le stelle emettono, come il Sole, grandissime quantità
di neutrini che, data l’enorme distanza delle sorgenti, hanno scarsa
probabilità di essere rivelati. Ma quando una stella esplode nella fase di
supernova, l’emissione di neutrini è tale che essi possono arrivare sulla
Terra con intensità sufficientemente elevata per poter essere rivelati, come
è successo in occasione dell’esplosione della SN 1987 A. Il collasso del nucleo
di una stella massiccia, nell’ultima fase evolutiva della sua vita, determina
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l’esplosione di supernova caratterizzata da una straordinaria emissione di
neutrini. Il nucleo collassato formerà una stella di neutroni
Fonte immagine: Hubble Space Telescope

Neutrini primordiali :Numerosissimi sono stati anche i neutrini prodotti
subito dopo la grande esplosione che ha dato origine all’universo. Si pensa
che vaghino liberamente ovunque nello spazio, senza alcuna possibilità di
essere rivelati avendo perso via via energia per effetto dell’espansione
cosmica

Neutrini atmosferici La radiazione cosmica che colpisce i nuclei atomici
delle molecole dell’aria produce fra le altre particelle anche neutrini e
antineutrini. Lo studio dei neutrini atmosferici ha verificato per la prima
volta la teoria delle oscillazioni di sapore
Fonte immagine www.lngs.infn.it
Neutrini
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2. Storia neutrini

1896
Scoperta della radioattività
1926
Problema del decadimento beta
1930
Ipotesi di Pauli: nasce il neutrino (chiamato
allora neutrone)
1933
Fermi conferisce il nome al neutrino; teoria
dell'interazione debole
1956
Scoperta sperimentale del neutrino (neutrino
elettronico)
1962
Scoperta di un altro tipo di neutrino (neutrino
muonico)
1962
Pontecorvo: ipotesi delle oscillazioni di neutrino
1973
Scoperta delle correnti neutre indotte da
neutrini
1991
Acceleratore LEP: prova indiretta di soli 3 tipi
di neutrino
19951999
Deficit dei neutrini solari e atmosferici
2000
Scoperto il terzo neutrino (neutrino tauonico)
2001
Soluzione del problema dei neutrini solari
(oscillazioni?)
Si scoprì che i raggi beta sono elettroni e infine che assieme agli
emesso un neutrino
Neutrini
viene
(1896)
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
Consideriamo il decadimento beta nucleare (1926):

Nel caso il decadimento fosse a due corpi (60Ni + e-), lo spettro dovrebbe
mostrare una riga, mentre invece lo spettro è continuo! Lo spetto continuo
dell'elettrone non era compatibile col decadimento a due corpi del nucleo
radioattivo. Si arrivò perfino a mettere in discussione il principio di conservazione
dell'energia nei decadimenti beta... ...finché W.Pauli non ipotizzò l'esistenza del (da
lui chiamato) neutrone (1930)

Fermi supportò subito l'ipotesi di Pauli, inquadrandola in una teoria delle
Interazioni Deboli che ancora oggi è in grado di spiegare molti dei risultati
sperimentali. Fermi cambiò anche nome alla particella, battezzandola
NEUTRINO, facendo riferimento alla piccolezza della sua massa(1933)
Neutrini
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
Sunto di Fermi - Si propone una teoria quantitativa dell'emissione dei raggi
beta, in cui si ammette l'esistenza del neutrino; vi si tratta inoltre l'emissione degli
elettroni e dei neutrini da un nucleo all'atto della disintegrazione beta con un
procedimento simile a quello seguito nella teoria dell'irradiazione per descrivere
l'emissione di un quanto di luce da un atomo eccitato. Vengono poi dedotte delle
formule per la vita media e per la forma dello spettro continuo dei raggi beta, e
queste vengono infine confrontate con i dati sperimentale

Ipotesi fondamentale della teoria di Fermi: nel tentativo di costruire una
teoria degli elettroni nucleari e dell'emissione dei raggi beta si incontrano, come è
noto, due difficoltà principali. La prima dipende dal fatto che i raggi beta primari
vengono emessi dai nuclei con una distribuzione continua di velocità. Se non si
vuole abbandonare il principio della conservazione dell'energia, è necessario
ammettere che una frazione dell'energia che si libera nel processo di
disintegrazione beta sfugga alle nostre attuali possibilità di osservazione. Secondo
la proposta di Pauli è possibile, ad esempio, ammettere l'esistenza di una nuova
particella, il così detto neutrino, avente carica elettrica nulla e massa dell'ordine di
grandezza di quella dell'elettrone, o minore. Si ammette poi che in ogni processo
beta vengano emessi simultaneamente un elettrone, che si osserva come raggio
beta, e un neutrino, che sfugge all'osservazione portando seco una parte
dell'energia. Nella presente teoria ci baseremo sopra l'ipotesi del neutrino. Una
seconda difficoltà, per la teoria degli elettroni nucleari, deriva dal fatto che le
attuali teorie relativistiche delle particelle leggere (elettroni o neutrini) non danno
una soddisfacente spiegazione della possibilità che tali particelle vengano legate in
orbite di dimensioni nucleari.

La scoperta del neutrino avvenne più di 20 anni dopo la sua nascita
"teorica" (Reines e Cowan 1956)
Neutrini
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
Un reattore nucleare è un notevole produttore di (anti)neutrini: ne produce
circa 5 × 1020 per secondo! Un rivelatore posto nei pressi del reattore permette di
osservare i frutti dell’interazione dei neutrini con la materia stessa del rivelatore.
In particolare, i neutrini si identificano attraverso la rivelazione “in coincidenza”
di un positrone e di un neutrone, la reazione inversa del decadimento beta: ν → p +
e- + ν

Oggi sappiamo che un neutrino di tipo elettronico, interagendo con la
materia, produce un elettrone (correnti cariche)
...e che un neutrino di tipo muonico produce un muone e mai un elettrone:

Schwartz, Lederman e Steinberger ottennero il premio Nobel per il loro
esperimento del 1962 all'acceleratore di Brookhaven, che mostrò appunto che da
un fascio di neutrini “mu” vengono prodotti muoni e mai elettroni. Questa fu la
prova che il neutrino elettronico è una particella diversa dal neutrino muonico. I
neutrini “mu” vennero ingegnosamente prodotti facendo decadere i pioni a loro
volta generati nell’interazione di protoni con un bersaglio. Il rivelatore era una
grande camera a scintilla, in grado di evidenziare la lunga traccia penetrante del
muone prodotto dal neutrino “mu
Neutrini
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
L'interazione dei neutrini con la materia determina la creazione del leptone
carico partner del neutrino (nu e -> e, nu mu -> mu). Si parla in questo caso di
correnti cariche, che avvengono attraverso lo scambio di una particella mediatrice:
il bosone W+ o W-

Tuttavia, la teoria di unificazione tra le interazioni elettromagnetiche e
deboli sviluppata da Weinberg, Glashow e Salam prevedeva l'esistenza delle
cosiddette correnti neutre, nelle quali il neutrino rimane tale e il mediatore è un
bosone carico (la particella Z0

Le correnti neutre furono scoperte nel 1973 al CERN, usando un fascio di
neutrini muonici prodotti facendo decadere mesoni carichi e come rivelatore la
camera a bolle Gargamelle. Una camera a bolle evidenzia le tracce delle particelle
mediante una serie di piccole bollicine in un particolare gas liquefatto. Nella figura
è mostrato uno degli eventi di corrente neutra: il neutrino "mu" interagisce con un
elettrone, che viene diffuso, mentre il neutrino non si trasforma in muone, restando
invisibile
Neutrini
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
La larghezza in energia di una risonanza, ad esempio quella del mediatore
delle correnti neutre Z0, è tanto maggiore quanto più numerosi sono i possibili
canali di decadimento. Ciò è legato al Principio di Indeterminazione: dE x dt =
costante Nell'ipotesi di tre soli neutrini, sono possibili tra gli altri i seguenti
decadimenti in coppie neutrino-antineutrino

La misura effettuata al LEP del CERN ha mostrato che i punti sperimentali
relativi alla misura della larghezza della Z0 sono interpolati dalla curva
corrispondente a tre soli neutrini
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
L'esperimento DONUT si è recentemente concluso al FERMILAB. Suo
scopo era la rivelazione diretta del neutrino del “tau”, identificando i prodotti della
sua interazione (leptone “tau”) con un bersaglio attivo. La reazione cercata è la
seguente

L'identificazione del “tau” è complicata dalla sua breve vita media (qualche
mm). In DONUT si sono usate perciò emulsioni nucleari, rivelatori ad altissima
risoluzione spaziale (1 micron). A sinistra è mostrato uno degli eventi di segnale. Il
tau decade in elettrone dopo circa 4 mm
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
La questione della massa del neutrino ha importanti implicazioni negli
ambiti indicati a lato

Fisica:L'esistenza di una massa non nulla per il neutrino aprirebbe un
nuovo mondo per la fisica delle Particelle Elementari: renderebbe plausibile una
teoria di Unificazione di tutte le interazioni fondamentali (elettrodebole, forte,
gravitazionale) in una unica Super Forza, che sarebbe stata attiva nei primissimi
istanti di vita dell'Universo. Ma ci sarebbero altre eccezionali implicazioni: la
materia ordinaria potrebbe non essere stabile come oggi sembra. Sarebbe possibile
il decadimento del protone e la conversione tra leptoni (come l'elettrone) in barioni
(protone, neutrone,...). Si darebbe ulteriore supporto alle cosiddette teorie
Supersimmetriche che predicono l'esistenza di tutta una serie di particelle ancora
sconosciute, ma che soprattutto prevedono l'esistenza di una completa simmetria
tra particelle (elettroni, quark,...) e mediatori (fotoni, gluoni, W, Z,...).

Astrofisica e Cosmologia:Dall’osservazione del moto delle galassie è stato
possibile determinare che solo il 10% della massa dell’Universo è visibile o
comunque costituito dalla materia ordinaria composta da atomi. Il rimanente 90%
è chiamato Materia Oscura perché invisibile. Vi sono varie ipotesi, alcune molto
fantasiose e affascinanti, per spiegare la natura della Materia Oscura: buchi neri,
particelle ancora sconosciute, o ancora… i nostri neutrini. Dato il loro grande
numero nell’Universo, infatti, se la massa di una data specie di neutrino fosse
almeno 1/30000 di quella dell’elettrone, parte della Materia Oscura potrebbe essere
costituita da neutrini e determinare l’evoluzione futura dell’Universo. È quindi più
che comprensibile l'importanza cosmologica della massa del neutrino

Un modo astuto per provare che il neutrino ha una massa: verificare se
esistano le oscillazioni di neutrino.Nel 1962. Pontecorvo ipotizzò che i neutrini, se
dotati di una pur piccola massa, possono essere soggetti alle cosiddette oscillazioni
di neutrino. Si tratta di un fenomeno quantistico. Per spiegarlo, assumiamo per
semplicità che si conoscano (come ai tempi di Pontecorvo) solo due tipi di neutrino
(autostati di sapore), prodotti nei processi di interazioni deboli: “e” e neutrino
“mu” Esisteranno allora anche due autostati di massa neutrino 1 e neutrino 2 .
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Ciascun autostato di sapore può essere espresso come combinazione lineare degli
autostati di massa, e viceversa

Secondo le leggi della Meccanica Quantistica, se un dato autostato di sapore
(diciamo un neutrino “mu” ) viaggia nello spazio, i due autostati di massa che “ lo
compongono” si propagheranno come onde con frequenze diverse, i cui valori
dipendono delle masse 1 e 2. Si crea quindi un fenomeno di interferenza per il
quale periodicamente si passa dall’ originario neutrino “mu”, combinazione di due
autostati di massa, a un ben definito autostato di massa, combinazione di due
autostati di sapore neutrino “mu” e neutrino “e”. Un rivelatore opportunamente
posto potrebbe allora rivelare un neutrino “e” e non più un neutrino “mu”.

La probabilità di questa transizione tra “nm” e “ne” ha carattere
oscillatorio, e dipende dall’angolo di mescolamento q, dalla distanza percorsa d,
dall’energia del neutrino e dalla differenza (quadratica) delle masse 1 e 2
Neutrini
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
Abbiamo visto che il Sole e le altre stelle producono una gran quantità di
neutrini (elettronici) nelle reazioni termonucleari che avvengono al loro interno. La
distribuzione in energia di tali neutrini dipende da queste ben note reazioni, e può
essere calcolata come mostrato nella figura. Si vede che gran parte (circa l’85%)
del flusso di neutrini (giallo) è dovuto alla reazione di fusione protone-protone, che
produce neutrini di energia minore di 0.5 MeV. Circa 14% viene dalle “righe” del
Berillio (blu) e appena lo 0.02% dalle reazioni in cui si produce Boro (verde) a
partire da Berillio, con energie relativamente alte (fino a 10 MeV

Tuttavia, gli esperimenti indicano che solo circa la metà degli “ne” solari
sono rivelati sulla Terra!
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
Esperimento GALLEX al Lab. del Gran Sasso che per primo ha rivelato i
neutrini provenienti dal Sole dalla reazione p-p
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3. Esperimenti su neutrini

Nel mese di settembre 2011 un comunicato del CERN annunciava una
anomalia nella misura del tempo di volo dei neutri. Infatti, la collaborazione
OPERA, che prende parte al progetto CNGS, ha pubblicato un preprint nel quale
descrive in dettaglio la misura eseguita e il risulatato ottenuto. Tale anomalia
farebbe pensare a dei neutrini (di energia di circa 17 GeV) che viaggiano ad una
velocità superiore a quella della luce. Il fenomeno non è in contrasto con la teoria
della relatività speciale di Einstein, che resta tuttora valida perché non è lecito
aprioristicamente estendere tale teoria all'eventuale interpretazione del fenomeno
osservato. Tale osservazione, se fosse confermata da misure indipendenti,
offrirebbe spunti per costruire nuovi modelli teorici. L'atteggiamento della
collaborazione che ha eseguito la misura è di estrema cautela e prudenza dato la
enorme portata della presunta scoperta. Infatti sono possibili errori sistematici non
identificati che potrebbero rendere meno certo l'anomalia riscontrata nella misura
del tempo di volo dei neutrini. Le speculazioni teoriche che si accavallano in questi
giorni sono molteplici, una di queste avanza l'idea che possa trattarsi di un
fenomeno riconducibile nell'ambito di quelli della teoria teoria delle stringhe, che
prevede l'esistenza di dimensioni extra. Queste potrebbero essere usate come
"scorciatoie" nello spazio-tempo. Nel novembre 2011 sono stati effettuati ulteriori
esperimenti, nei quali a percorrere i 730 chilometri che separano il Cern dal Gran
Sasso sono stati "pacchetti" di neutrini lunghi solo 3 nanosecondi e spaziati gli uni
dagli altri di 524 nanosecondi, molto più piccoli e meno distanziati rispetto a quelli
utilizzati nelle misurazioni di Settembre (in quel caso i fasci avevano una durata di
10.500 nanosecondi ed erano lanciati ad intervalli di 50 milioni di nanosecondi).
Queste misurazioni sembrerebbero accreditare i risultati ottenuti in precedenza,
ma una conferma definitiva del fenomeno osservato potrà arrivare soltanto da test
indipendenti, condotti da altri gruppi di ricerca. Inoltre Andrew Cohen e
il Nobel Sheldon Lee Glashow hanno dimostrato che un qualsiasi neutrino che
superasse la velocità della luce irradierebbe energia, lasciando dietro di sé una scia
di particelle più lente. Questo risultato mette in dubbio la correttezza delle
misurazioni. Tuttavia va precisato che il calcolo si muove dall'assunto di poter
estendere agli eventuali fenomeni di particelle superluminari le leggi della fisica
oggi note.

Con esperimenti radio chimici: il neutrino interagisce con un elemento (es.
Cloro o Gallio) e produce alcuni (pochi!) atomi di un altro elemento (Argon o
Germanio) che, essendo radioattivo, può essere rivelato con opportuna estrazione.
Tali esperimenti sono stati condotti a partire dagli anni ’70 e, benché siano sensibili
a neutrini di energia diversa, mostrano un chiaro deficit di neutrini rivelati.

Un altro esperimento, Super Kamiokande (in Giappone), ha misurato il
flusso di neutrini solari di alta energia, rivelando la luce prodotta dagli elettroni
diffusi elasticamente dai neutrini
Neutrini
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
Gli elettroni sono quelli dell’acqua contenuta in una grande “ piscina”
sotterranea, profonda 50 m, le cui pareti sono ricoperte da rivelatori di luce
(fotomoltiplicatori). La luce è prodotta dagli elettroni o da altre particelle che
viaggiano ad alta velocità nell’acqua, a seguito della diffusione da parte del
neutrino

I rivelatori di neutrini solari sono sensibili ai neutrini elettronici (quelli che
vengono dal Sole, appunto). Se tali neutrini oscillassero durante il loro viaggio dal
Sole alla Terra potrebbero, per valori opportuni dei parametri di oscillazione,
arrivare come neutrini di un tipo diverso sulla Terra (“nm” o “nt”) e non essere
quindi rivelati. Ciò può produrre l’osservata mancanza di “ne” rispetto alle
predizioni della teoria. I risultati sperimentali ottenuti combinando le misure dei
vari esperimenti supportano fortemente questa ipotesi
Neutrini
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
Particelle elementari di altissima energia sono generate in lontane galassie.
Esse raggiungono la Terra e interagiscono con l’atmosfera producendo tra l’altro
neutrini (“mu” ed “e”) Il numero di neutrini muonici attesi è circa il doppio di
quelli elettronici. Ma gli esperimenti hanno osservato un notevole deficit di “nm”,
funzione dell’energia del neutrino e della distanza percorsa dal punto di
produzione al rivelatore...Cosa accade quindi ai neutrini “mu” ?

Come accade per i neutrini solari, anche il flusso dei neutrini prodotti
nell’atmosfera terrestre mostra un deficit rispetto alle attese. In questo caso,
l’ipotesi delle oscillazioni è ancora più plausibile. Il deficit riguarda infatti solo i
neutrini muonici (“mu”), che verosimilmente oscillano in “nt”, ai quali non sono
sensibili i rivelatori terrestri. A supporto dell’ipotesi vi è anche il fatto che la
riduzione del flusso di neutrini “mu” è funzione della distanza percorsa dal
neutrino e dalla sua energia (come predetto dalla teoria delle oscillazioni).


La misura più convincente dell’anomalia dei neutrini atmosferici è stata
condotta dall’esperimento Super Kamiokande
Neutrini
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
Neutrini che vengono dallo zenit percorrono una distanza pari circa allo
spessore dell’atmosfera (20 km). Quelli provenienti dal basso (nadir) hanno invece
percorso i 20 km di atmosfera agli antipodi più il diametro terrestre di circa 13000
km.

Nel 1987, in alcuni laboratori sotterranei si sono osservati neutrini emessi
nell’esplosione
della
Supernova
1987A.
Dalla misura dei tempi di arrivo si è cercato di misurare la loro velocità e quindi la
loro massa

L’attuale scenario della fisica del neutrino evidenzia il grande progresso
ottenuto in 70 anni di ricerche, dal momento della sua nascita ad oggi . Tuttavia,
molti sono ancora i misteri e gli affascinanti interrogativi legati a questa elusiva
particella:

Si riuscirà ad evidenziare una massa per il neutrino mediante misure
cinematiche dirette ?
 Sono le oscillazioni di neutrino la causa del deficit dei neutrini solari e
atmosferici ?
 Contribuiscono i neutrini al puzzle della Materia Oscura dell’Universo?
 Esistono sorgenti cosmiche di neutrini di altissima energia, ovvero si
realizzerà il sogno dell’astronomia con neutrini ?
 Riuscirà infine il neutrino a svelare tutti i suoi misteri e ad aiutarci a
rispondere alle eterne domande sull’origine dell’Universo e sulla sua
evoluzione?

Questi formidabili interrogativi saranno affrontati nei prossimi anni con
ambiziosi progetti di ricerca teorica e sperimentale da parte di gruppi di ricercatori in
Italia e in tutto il mondo (seguono alcuni esempi, certamente non esaustivi!).
Neutrini
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
I risultati sul deficit dei neutrini solari sono molto interessanti:
recentemente, l’esperimento SNO (in Canada) sembra indicare che il modello
teorico del Sole sia corretto e che effettivamente i neutrini elettronici “ si trasformi
no” in un altro tipo di neutrino. Ma si tratta di oscillazioni ?

Il Laboratorio del Gran Sasso, costruito lungo un tunnel autostradale tra
L’Aquila e Teramo, è costituito da tre grandi sale sperimentali sotterranee che
ospitano (e ospiteranno) una serie di apparati per esperimenti di fisica, astrofisica e
cosmologia. Il bassissimo “ rumore” indotto da raggi cosmici, schermati dalla
roccia sovrastante, rende il laboratorio ideale per esperimenti con neutrini
Neutrini
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
Per rispondere a questa domanda, degli esperimenti in laboratori
sotterranei cercheranno di evidenziare che la scomparsa dei neutrini solari
elettronici è compatibile con le predizioni del processo di oscillazione.
L’esperimento KAMLAND è in corso in Giappone, utilizzando i neutrini
provenienti da reattori nucleari che dovrebbero simulare i neutrini solari. Parte
dell’esperimento BOREXINO, che rivela l’interazione dei neutrini solari
utilizzando un grande volume riempito di scintillatore liquido. Si tratta di una
sostanza che al passaggio di particelle cariche produce luce che può essere rivelata.
 Al Laboratorio del Gran Sasso, invece, l’esperimento BOREXINO cercherà di
rispondere alla domanda mediante una misura di precisione del flusso di neutrini
solari. Questi sono solo alcuni degli esperimenti in programma o proposti per il
futuro su questo argomento
 I risultati sperimentali sul deficit di neutrini muonici atmosferici possono essere
interpretati in termini di oscillazioni di neutrino “nm” o “nt”? Per verificare
questa possibilità, si è pensato di realizzare dei fasci artificiali di neutrini (da
acceleratori di particelle) in grado di ricostruire le stesse condizioni dei neutrini
Neutrini
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atmosferici con esperimenti di laboratorio (controllati). Abbiamo visto, infatti, che
le oscillazioni sono funzione dalla distanza percorsa dal neutrino L e dalla sua
energia E. Più precisamente, la probabilità di oscillazione dipende dal rapporto
E/L. Nel prossimo futuro, tre progetti (in Giappone, in USA e in Europa)
dovrebbero dare una risposta a questo importante quesito. Il progetto e uropeo
(CNGS) prevede l’invio di un fascio di “nm” dal CERN di Ginevra al Laboratorio
del Gran Sasso, distante 730 km. Nelle sale sperimentali sotterranee, gli
esperimenti OPERA e ICARUS cercheranno di evidenziare il debole segnale della
comparsa di “nt” provenienti dal processo di oscillazione
 Interno del rivelatore ICARUS. È costituito da un grande volume di Argon
liquefatto, nel quale i neutrini interagiscono e le particelle prodotte creano
ionizzazioni, producendo elettroni e ioni I primi sono raccolti da camere a fili poste
all’interno del volume, producendo segnali elettrici che permettono la ricostruzione
delle tracce lasciate da lle particelle
 Ogni secondo, 60 miliardi di neutrini, la maggior parte emessi dal sole, piovono
su ogni centimetro quadrato del nostro corpo, lo attraversano e poi viaggiano
nell’atmosfera o all’interno della terra, come se niente fosse, per uscire dall’altra
parte, quasi tutti. Sono particelle che corrono alla velocità della luce, che
interagiscono pochissimo con la materia tanto che potrebbero attraversare,
pressoché indisturbati, uno spessore di piombo di qualche anno luce. Del resto, di
tutti quelli che passano attraverso il nostro organismo, durante tutto il corso della
vita, solo uno o due interagiscono con la nostra materia. La nostra stella produce
più di 200 trilioni di neutrini al secondo, ma l’esplosione di una supernova ne libera
mille volte di più di quanto ne produca il Sole in un periodo di 10 miliardi di anni.
A differenza delle particelle della radiazione cosmica, i neutrini per la scarsa (o
quasi nulla) reattività con la materia che attraversano sono gli unici segnali capaci
di arrivare fino a noi senza essere minimamente deviati, superando qualsiasi
ostacolo di sorta lungo il loro cammino. Ma la scarsa reattività li rende anche
pressoché inafferrabili. Possono essere osservati, infatti, soltanto ponendo i
rivelatori sotto terra, all’interno di montagne o nelle profondità delle miniere, sul
fondo del mare o sotto una spessa coltre di ghiaccio. La schermatura rappresentata
da uno spessore di qualche migliaio di metri di roccia, di ghiaccio o di acqua,
riduce notevolmente il disturbo determinato dall’arrivo al rivelatore di altre
particelle energetiche della radiazione cosmica che, altrimenti, coprirebbero
totalmente i debolissimi segnali emessi dal passaggio dei neutrini. Gli scienziati
Neutrini
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hanno pensato, cioè, di condurre i loro esperimenti nelle condizioni in cui al
rivelatore giungono solo, o quasi, le particelle che intendono osservare e studiare.
fonte immagine: www.ishtar.df.unibo.it
 Pauli: …per salvare la statistica e il teorema dell’energia…per spiegare il
decadimento  c’era, infatti, bisogno di pensare una nuova particella per far
quadrare i conti…una particella molto strana, neutra, senza massa o quasi,
incapace o quasi di reagire con la materia… es. di decadimento 
60Co -> 60Ni + e- +  (antineutrino)
Neutrini
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Wolfang Pauli
 Queste nuove particelle sono state inventate da W. Pauli, che le chiamò
neutroni, per salvare il principio della conservazione dell’energia, e proposte con
una lettera, in modo semiserio, ai partecipanti al Congresso di Tubinga nel 1930.
W. Pauli era convinto, contrariamente a quanto sosteneva N. Bohr, che il processo
di decadimento  rispettasse il principio di conservazione dell’energia. Nel 1934
E. Fermi elabora la teoria del decadimento b, ipotizzando l’esistenza di una forza
(debole) capace di trasformare nel nucleo il neutrone in protone e viceversa, e
chiama neutrino la nuova particella proposta da Pauli. Per essa prevede una
massa nulla o molto più piccola di quella dell’elettrone, una velocità uguale a
quella della luce, che fosse soggetta alla forza debole e che la sua capacità di
interazione con la materia dipendesse dal suo contenuto energetico. Nella sua
teoria Fermi prevede "la trasformazione di un neutrone in protone o viceversa; in
modo tale però che alla trasformazione da neutrone a protone sia di necessità
connessa la creazione di un elettrone, che si osserva come particella beta , e di un
neutrino (anti); mentre alla trasformazione inversa da protone a neutrone sia
connessa la scomparsa di un elettrone e di un neutrino". Il brillante lavoro di E.
Fermi convince anche N. Bohr, fino ad allora scettico sull’opportunità di ipotizzare
una nuova particella fantasma pur di salvare un principio della Fisica. Si dichiara,
infatti, convinto "che le basi per seri dubbi riguardo la validità rigorosa delle leggi
di conservazione nel problema dell'emissione di raggi beta dai nuclei atomici, sono
ora in gran parte rimosse dall'accordo stimolante fra l'evidenza sperimentale che si
sta rapidamente accumulando sui fenomeni dei raggi beta e le conseguenze
dell'ipotesi del neutrino di Pauli, sviluppata in modo così rimarchevole nella teoria
di Fermi"1956. Reines e Cowan dimostrano l’esistenza dell’antineutrino
elettronico utilizzando il reattore nucleare di Savannah River e un rivelatore (il
primo) per neutrini.
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Enrico Fermi
N. Bohr
F. Reines
 Tre neutrini per i tre leptoni: elettrone, muone, tau. La cosa un po’ stravagante
è che i tre si possono trasformare l’uno nell’altro (mixing o oscillazione). Per poter
oscillare i neutrini devono avere una massa. Esistono tre tipi di neutrini (tre
"sapori"), corrispondenti ai tre leptoni, elettrone, muone e tau, la cui scoperta con
l’esperimento DONUT al Fermilab ha completato il quadro delle famiglie di
particelle. Infatti, l’interazione di un neutrino elettronico con il nucleo di un atomo
può generare un elettrone, quella di un neutrino muonico genera un muone, quella
di un neutrino tau produce una particella tau. Viceversa l’elettrone genera il
neutrino elettronico, il muone un neutrino muonico e il tauone un neutrino
tauonico. Se i neutrini hanno massa possono oscillare, cambiando sapore
Neutrini
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 Bruno Pontecorvo intuì per primo come si possa svelare il passaggio del
neutrino. Quando un neutrino urta un atomo di 37Cl (Cloro isotopo 37) lo
trasforma in 37Ar (Argo isotopo 37). Quest’ultimo è un elemento instabile, perciò
facilmente identificabile. L’idea di Pontecorvo venne attuata, a partire dalla metà
degli anni sessanta, dallo scienziato americano R. Davis jr.. Per osservare i neutrini
solari costruì all’interno della miniera di Homestake (Sud Dakota) un laboratorio
per accogliere un rivelatore rappresentato da un grandissimo recipiente contenente
378.000 litri di percloroetilene. Il numero di atomi radioattivi di Argo, prodotti
dalla collisione dei neutrini con il Cloro, avrebbe misurato il numero di eventi
neutrinici nello stesso periodo di tempo. Questo ideato da Davis é uno dei modi per
rivelare i neutrini. Davis con questo esperimento è stato il primo a osservare i
Neutrini
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neutrini solari con energia superiore a 1 MeV, prodotti quasi tutti nella reazione 8B
→8Be + e+ + νe che libera neutrini elettronici con un’energia Eν ≤ 15 MeV, e a
scoprire che al rivelatore arrivavano meno neutrini di quanti previsti dalla teoria
(problema dei neutrini solari mancanti). L’esperimento di Homestake ha
dimostrato, in oltre trent’anni di misurazioni, un deficit di circa un fattore 3 fra i
neutrini osservati pari a 2,55 ± 0,17 ± 0,18 SNU e quelli teorici della catena
protone-protone pari a 7,3 ± 2,3 SNU. 1SNU (solar neutrino unit) = 1
evento/1036atomi·/s
Bruno Pontecorvo
Homestake Laboratory
 I Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN sono più grandi laboratori
underground per la caccia alle particelle...fantasma. Schermati da 1400 metri di
roccia, per cui il flusso di radiazione cosmica si abbassa di un milione di volte,
presentano l’ulteriore vantaggio di un bassissimo tasso di radioattività delle rocce
circostanti. Le grandi dimensioni delle sale in sotterraneo e quelle degli apparati
sperimentali non trovano paragone in altri laboratori. Le tre Sale sperimentali
sono veramente gigantesche: alte 20 m, lunghe 100 m, larghe 18 m. La costruzione
dei Laboratori, pensati e proposti dal prof. A. Zichichi, è iniziata nel 1982 e portata
a termine nel 1987. I Laboratori sono stati realizzati in concomitanza con la
costruzione del tunnel autostradale Teramo-L’Aquila
 GNO e Borexino - esperimenti in corso di grande rilevanza: CNGS esperimento del futuro GNO (Gallium Neutrino Observatory) ha ereditato il
lavoro di Gallex. Il problema da studiare è sempre quello dei neutrini solari. Il
rivelatore di GNO è rappresentato da 30,3 tonnellate di Gallio presenti in 103
tonnellate di soluzione acida (HCl) di cloruro di Gallio. I neutrini solari di bassa
energia interagiscono con i nuclei del 71Ga, che costituisce il 30% degli isotopi di
Gallio presenti in soluzione. In conseguenza dell’interazione con i neutrini solari, i
nuclei di 71Ga si trasformano in nuclei di Germanio (71Ge) con un processo di
decadimento inverso, indicato come 71Ge (nu, e) 71Ga. Il flusso di neutrini solari è
dedotto dal numero di 71Ge prodotti. La soluzione del rivelatore rimane esposta
Neutrini
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all’azione dei neutrini solari per circa 4 settimane. Alla fine di questo periodo sono
presenti nella soluzione circa una dozzina di nuclei di 71Ge, dovuti all’interazione
neutrinica
Esterno dei Laboratori del Gran Sasso
 La separazione periodica del cloruro di germanio (GeCl4) viene effettuata
immettendo nel serbatoio del rivelatore una corrente di azoto (N2) che trascina con
sé il cloruro di germanio. La miscela di azoto e di cloruro di Germanio viene
“lavata” con acqua per allontanare l’azoto. Il 71Ge estratto (sotto forma di GeCl4)
viene trasformato in GeH4 (gas) e introdotto in un apparecchio per il conteggio,
miscelato a gas Xeno. 7Be + e- → νe + 7Li. Borexino prevede di contare 55 eventi al
giorno in assenza di oscillazioni 12 eventi al giorno con oscillazioni; per la
rivelazione sfrutta, come Superkamiokande, l’urto fra i neutrini e l’elettrone:
νe + e- → νe + e-.
 Borexino è più sensibile di Superkamiokande perché utilizza uno scintillatore al
posto dell’acqua. La costruzione di Borexino e' stata preceduta dal CTF (Counting
Test Facility), prototipo dell'esperimento, in funzione per diversi anni, costituito da
una sfera di plastica trasparente di 2 metri di diametro contenente 4 tonnellate di
scintillatore liquido, posta al centro di una struttura a supporto di 100
fotomoltiplicatori, il tutto immerso in acqua purissima. Il rivelatore di Borexino è
dato da una sfera di 8,5 metri di diametro contenente 300 tonnellate di scintillatore
ed osservata da 2200 fotomoltiplicatori. La sfera è immersa in 2400 tonnellate di
acqua purissima, che funge da assorbitore per le particelle della radiazione
naturale provenienti dalla roccia circostante. Lo scintillatore, una miscela di
solvente aromatico (pseudocumene, PC) e 1,5 g/l di fluoro, è contenuto in un
pallone di nylon dello spessore di 0,5 mm. Contiene il tutto una sfera di acciaio di
13,7 metri di diametro
Neutrini
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 CNGS - CERN to Gran Sasso Neutrino beam :Un fascio di neutrini artificiali
prodotti al Cern di Ginevra verrà sparato verso i Laboratori Nazionali del Gran
Sasso per osservarne l’eventuale oscillazione. L’esperimento CNGS è un
esperimento di LBL, cioè di Long Baseline, in quanto la sorgente di neutrini (un
reattore o un acceleratore) e il rivelatore sono distanti, per cui i neutrini artificiali,
prima di essere rivelati, attraversano la Terra per qualche centinaio di chilometri.
I neutrini per l’esperimento verranno prodotti al CERN di Ginevra e letteralmente
sparati verso il rivelatore Icarus dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, a 732
chilometri di distanza. Fasci di protoni saranno y accelerati dalle macchine già
esistenti al CERN, Protosincrotrone (PS) e Supersincrotrone (SPS), fino all’energia
di 400 GeV. La collisione dei protoni contro un bersaglio produce anche pioni. I
pioni vengono focalizzati e fatti decadere (tempo di decadimento ~10 -8 s) p → μ +
νμ (μ = muoni – νμ = neutrini muonici) nella direzione del Gran Sasso. Il fascio
viene "ripulito" dai muoni frapponendo sul suo cammino strati di ferro e di terra
che, dopo 800 m, lasciano filtrare solo i neutrini. Due rivelatori monitorano i
muoni: -primo rivelatore di muoni 2.5 x 10 7 muoni per cm2 per 1013 protoni
arrivati sul bersaglio-secondo rivelatore di muoni 4 x 105 muoni per cm2 per 1013
protoni arrivati sul bersaglio.
 Il CERN invierà al rivelatore ICARUS dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso
oltre 1018 neutrini all'anno (un miliardo di miliardi). Poiché i neutrini
interagiscono debolmente, nonostante un numero così elevato, un rivelatore di oltre
mille tonnellate sarà in grado di far interagire solo 2500 neutrini all'anno. Alle
attuali conoscenze, nell’ipotesi di una oscillazione νμ – ντ (neutrini muonici neutrini tau), ci si aspetta che si verifichino e vengano rivelati 22 eventi all’anno di
ντ. L'inizio delle misure ai laboratori del Gran Sasso è previsto per il maggio del
2005, quando le complesse fasi di preparazione del fascio di neutrini saranno
completate e i rivelatori al Gran Sasso (ICARUS) saranno pronti a registrarli
Neutrini
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 Super-KAMIOKA Nucleon Decay Experiment ...or Neutrino Detection
Experiment in Giappone, nella miniera dismessa di Kamioka, per scoprire la
massa dei neutrini. Obiettivo di Superkamiokande: contare i neutrini atmosferici,
che si formano per azione della radiazione cosmica, e vedere se sono nella quantità
aspettata. Quando i raggi cosmici colpiscono gli atomi dell'atmosfera generano
sciami di particelle secondarie dal cui decadimento vengono prodotti neutrini
elettronici (νe) e neutrini muonici (νμ). Al rivelatore arrivano νe+, νe-, νμ+, νμ.Nel 1998 gli scienziati della collaborazione SuperKamiokande hanno dichiarato di
aver osservato l’oscillazione di neutrini muonici. L’indicazione dell’oscillazione
era data dalla misura di un flusso ridotto di νμ atmosferici provenienti dagli
antipodi rispetto al rivelatore. Questi neutrini prima di arrivare al rivelatore
hanno percorso circa 13.000 km contro i 10 km di quelli provenienti da sopra
rispetto
al
rivelatore
(fig. a destra).
 I dati di SuperKamiokande danno un rapporto di 1:2 fra i primi e i secondi.
Mentre il flusso di νe è, invece, quello previsto, da qualsiasi direzione provengano.
L’ipotesi plausibile è che si sia verificata un'oscillazione νμ → ντ , in particolare il
50% circa dei νμ si sarebbe trasformata in ντ (neutrini tau ). Il rivelatore
Superkamiokande è costituito da un gigantesco serbatoio di acciaio, situato a 1
chilometro di profondità all’interno del monte Ikena Yama delle Alpi giapponesi,
contenente 50.000 tonnellate di acqua purissima. Le pareti del serbatotoio sono
letteralmente tappezzate da 11.146 fotomoltiplicatori (MPT) di 50 cm di diametro
ciascuno. I neutrini che attraversano il rivelatore e interagiscono con gli elettroni
degli atomi dell’acqua determinando l’emissione di un cono di luce bluastra per
effetto Cherenkov (luce o radiazione Cherenkov), che viene rilevato dai MPT. I
PMT misurano l’intensità, il tempo d’arrivo e la direzione dei lampi di luce,
Neutrini
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consentendo di calcolare l’energia e la direzione di provenienza dei neutrini. Il
team di Superkamiokande ha analizzato 4700 interazioni neutriniche, in un
periodo di 537 giorni, e ha trovato i dati coerenti con l’ipotesi dell’oscillazione. Che
i neutrini oscillino é stato dimostrato da altri due esperimenti giapponesi:
Kamland e K2k
fonte immagine: ishtar.df.unibo.it
 SNO - neutrini camaleonti "Visibili, invisibili, in movimento e trasformandosi
un tipo nell’altro, questi “piccoli visitatori” potrebbero comportarsi come
camaleonti a personalità multipla. Immaginate che uno di voi lanci una palla di
base-ball. Durante il suo percorso, questa palla si trasforma in pallone di calcio e,
prima di arrivare a voi,si trasforma in una palla da tennis. È possibile che i
neutrini si comportino allo stesso modo.” L’osservatorio neutrinico SNO (Sudbury
Neutrino Observatory) é stato realizzato nella miniera Creighton d’INCO, grazie a
una collaborazione scientifica internazionale (Canada, USA e Gran Bretagna)
L’esperimento viene condotto al “riparo” dai raggi cosmici, filtrati da 2000 metri
di roccia. Il rivelatore è rappresentato da un recipiente sferico di 12 metri riempito
con 1000 tonnellate di D2 O (acqua pesante). L’acqua pesante, la cui molecola
contiene deuterio (nucleo costituito da un protone e da un neutrone) al posto
dell’idrogeno normale (nucleo costituito solo da un protone), è particolarmente
sensibile al neutrino. Nell’acqua pesante, un neutrino può essere diffuso da un
elettrone producendo un lampo di radiazione, o da un nucleo di deuterio, che viene
scisso in un protone e un neutrone. Un neutrino può anche essere assorbito da un
nucleo di deuterio, che si trasforma in due protoni e un positrone, l’antiparticella
dell’elettrone.
Neutrini
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fonte immagine: www.sno.phy.queensu.ca
 Nelle condizioni sperimentali all’interno del rivelatore del SNO, le interazioni
con l’acqua pesante dei neutrini incidenti possono essere di tre tipi:

Reazione a corrente carica νe + d → p + p + e- Con νe= neutrino elettronico
p = protone, e- = elettrone. Il neutrino elettronico che colpisce il nucleo del
deuterio provoca una interazione debole, mediata dal
bosone intermedio
W, che trasforma il neutrone in protone. Il processo libera un elettrone che
porta con sé la maggior parte dell’energia del neutrino incidente.
L’elettrone si muove nell’acqua con velocità superiore a quella della luce
nello stesso mezzo, per cui emette, decelerando, un lampo di luce
Cherenkov. L’energia del neutrino incidente può essere calcolata misurando
l’intensità della luce Cherenkov che arriva ai fotomoltiplicatori, i quali
determinano anche la direzione di provenienza del neutrino

Reazione a corrente neutra nx + d → p + n + nx Quando un neutrino, uno
qualsiasi dei tre sapori, colpisce il nucleo di una molecola di acqua pesante
ne determina la scissione in un protone e un neutrone. Il neutrone diffonde
Neutrini
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nell’acqua fino a che non viene catturato da un nucleo, emettendo raggi
gamma che consentono di rivelare la reazione, in quanto questi provocano
la diffusione di elettroni e l’effetto Cherenkov associato. In questa reazione,
un ruolo importante è giocato dalla capacità di cattura dei neutroni da
parte del deuterio e dalla cascata di raggi gamma prodotta dalla cattura del
neutrone. Per rendere più efficace la reazione, a partire dal 2003 nella
seconda fase dell’esperimento, all’acqua del rivelatore sarà aggiunto NaCl,
in quanto il 35Cloro assorbe meglio del deuterio il neutrone.

Diffusione dell'elettrone e- + nx → e- + nx L’incidenza di un neutrino (uno
qualsiasi dei tre sapori, ma il neutrino elettronico prevale nettamente)
provoca la diffusione di un elettrone. L’energia si ripartisce fra l’elettrone e
il neutrino, per cui la reazione può essere convenientemente utilizzata
soprattutto per determinare la direzione del neutrino.
 Risultati:Il flusso di neutrini elettronici (νe) misurato dalle correnti cariche su
nucleoni é stato (1,76 ± 0,11) x 106 cm-2 s-1 Il flusso di tutte e tre le specie di
neutrino, invece, misurato dalle correnti neutre su nucleoni è stato (5,09 ± 0,64) x
106 cm-2 /s-1 Il flusso di (νe) previsto dal Modello solare standardè 5,05 x 106 cm-2 /s1. Sembra evidente che i conti possano tornare. Se la misura dei neutrini elettronici
risulta, in tutti gli esperimenti, significativamente inferiore alle aspettative teoriche
è perché ben due terzi dei neutrini elettronici hanno oscillato e al rivelatore si
presentano in uno degli altri due tipi, muonico e tauonico. Nel mese di Aprile 2002,
i responsabili della collaborazione SNO annunciano che i neutrini elettronici (il
Neutrini
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sapore prodotto dalle reazioni termonucleari che avvengono nel nucleo del Sole)
rivelati sono solo una frazione (circa un terzo) del totale, in quanto la parte
restante si trasforma negli altri due sapori prima di arrivare sulla Terra. La
certezza del risultato (99,9%) è rappresentata dal fatto che per la prima volta sono
stati rivelati anche gli altri due sapori di neutrini, quelli derivanti dalla
trasformazione (per oscillazione) di circa i due terzi di neutrini elettronici emessi
dal Sole
 NuMI:–MINOS Neutrinos at the Main Iniector Main Injector Neutrino
Oscillation Search Dal Fermilab di Chicago al rivelatore MINOS nella miniera di
Soudan…per osservare il cambio di identità…dei neutrin Dal Main injector del
Fermilab di Chicago partono solo neutrini muonici; nella miniera di Soudan nel
Minnesota, dopo soli due millisecondi, si prevede che si presentino anche neutrini
tau!…prodotti dalla trasformazione (oscillazione) dei neutrini muonici. I neutrini
muonici vengono prodotti dal decadimento di pioni e kaoni creati facendo
collidere un fascio di protoni, accelerati all’energia di 120 GeV, contro un apposito
bersaglioi
 Il fascio contenente muoni e neutrini muonici per essere ripulito della presenza
delle altre particelle (protoni, pioni e kaoni) attraversa uno spesso strato di acciaio
che lascia passare soltanto i neutrini e i muoni. Dopo l’attraversamento di alcuni
metri di roccia, fuoriescono solo i neutrini muonici. Al Fermilab, il Near detector
controlla alla sorgente il sapore dei neutrini del fascio diretto verso la miniera di
Soudan. Il Near detector è una versione ridotta del rivelatore MINOS installato in
miniera. Il Far detector MINOS è un rivelatore costituito da 5400 tonnellate di
ferro e di strisce di scintillatore plastico (polistirene estruso). Le strisce di
scintillatore sono disposte su 484 piani che sviluppano complessivamente una
superficie di 20.000 metri quadrati
Neutrini
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Fonte immagine:www-numi.fnal.gov
 Underice,Underwater per acchiapparli nelle profondità dei ghiacci antartici... e
negli abissi marini…Non c’è verso di poterli affrontare alla luce del Sole; se non è
possibile farlo neppure nelle visceri della Terra, non vi sono alternative ai ghiacci
polari e agli abissi marini. Ancora più elusivi, infatti, sono i neutrini di alta energia
(intorno al Tev), gli unici che possono darci informazioni sui fenomeni astrofisici
nei quali sono implicate grandi quantità di energia come: esplosioni di supernova,
nuclei galattici attivi, sistemi binari formati da una stella di neutroni con disco di
accrescimento, gamma ray burst. Per captare neutrini così energetici è necessario
disporre di rivelatori molto estesi, tanto da non poter essere sistemati in miniere
oppure in laboratori ricavati all’interno delle montagne (per non considerare i
Neutrini
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costi proibitivi per la loro realizzazione), e protetti nei confronti della radiazione
cosmica indesiderata. Gli ambienti ideali per accogliere rivelatori adatti allo scopo
sono gli abissi marini e i ghiacci polari. Uno spessore di alcuni chilometri di
ghiaccio o di acqua è sufficiente a bloccare il disturbo rappresentato dalle altre
particelle della radiazione cosmica, in particolare dai muoni atmosferici
provenienti dall’alto rispetto al rivelatore
clicca per ingrandire
fonte immagine: www.ishtar.df.unibo.it
 Nei ghiacci dell’Antartide Esiste un gigantesco telescopio neutrinico per rivelare
i neutrini energetici che vi arrivano dagli antipodi dopo aver attraversato la Terra.
AMANDA. Nello stupendo scenario del Monte Erebus in Antartide, dopo l’attuale
fase sperimentale attuata con il prototipo AMANDA, verrà installato IceCube il
primo gigantesco telescopio per l’osservazione dei neutrini di altissima energia che
arrivano dallo spazio, che dovrebbe diventare operativo nel 2006. 2006.
AMANDA (Anctartic Muon And Neutrino Detector Array) è in grado ora di
catturare un centinaio di neutrini da più di 1012 eV all’anno, è costituito da 3 cavi
di 1200 metri e da 10 cavi di 500 metri. Ogni cavo porta una trentina di moduli
ottici. Ogni modulo ottico è in pratica un fotomoltiplicatore che raccoglie la luce
Cherenkov emessa dai muoni che si muovono a velocità superiori alla velocità della
luce nello stesso mezzo (nel ghiaccio 226 mila km/s). Infatti AMANDA non vede
direttamente i neutrini, è in grado invece di captare la luce Cherenkov emessa dai
muoni che vengono prodotti da una eventuale collisione di un neutrino con un
nucleone. all’interno del rivelatore. AMANDA osserva i muoni prodotti dai
neutrini provenienti dalla parte opposta della Terra (emisfero settentrionale) ed è
in grado di stabilire con grande accuratezza la loro energia e la direzione di
provenienza. L’accuratezza della risoluzione angolare è molto importante ai fini
della individuazione nel cielo della sorgente neutrinica, un nucleo galattico attivo o
una galassia nella quale si sia verificata una potente esplosione di raggi gamma. Gli
Neutrini
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scienziati pensano che nei nuclei di una galassia attiva abbiano origine raggi
cosmici di altissima energia che, accelerati dal potente campo magnetico del buco
nero supermassiccio centrale, vengano espulsi violentemente dal nucleo. Queste
particelle ultraenergetiche produrrebbero neutrini collidendo con nucleoni della
materia interstellare della stessa galassia. I neutrini molto energetici (1017 eV) così
prodotti, viaggiando nel cosmo, possono arrivare sulla Terra ed essere rivelati
fonte immagine: http://amanda.physics.wisc.edu
 IceCube Sarà il più grande rivelatore per neutrini energetici in quanto occuperà
un volume di un chilometro cubo nei ghiacci dell’Antartide, fra 1400 e 2400 metri
di profondità. Esso sarà costituito da circa 5000 sensori rappresentati da
fotomoltiplicatori disposti lungo 80 cavi in ragione di 60 per cavo. I sensori captano
la luce Cherenkov emessa dai muoni, la trasformano in impulsi elettrici che
vengono trasmessi all’elaboratore di cui ogni fotomoltiplicatore è dotato. Tutti i
segnali sono trasmessi al computer del centro di calcolo ed elaborazione dati. I
fisici di IceCube sono convinti che il rivelatore riuscirà a cogliere questi messaggeri
cosmici, ancor più speciali perché ci portano informazioni relative agli eventi più
violenti e drammatici che si verificano nell’universo, dalle esplosioni di supernova
ai gamma burst
Neutrini
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Fonte immagine http://amanda.physics.wisc.edu
 Nelle profondità dei mari sotto migliaia di metri d’acqua del Mediterraneo sono
ottime le condizioni per osservare i neutrini di grande energia… I grandi Progetti
per la costruzione di Telescopi adatti a rivelare i neutrini di grande energia si
avvalgono delle prime esperienze anche di tipo tecnologico rappresentate dalla
realizzazione del telescopio americano Dumand (Deep Underwater Muon and
Neutrino Detector), non portata a termine, e del rivelatore di Baikal in Siberia.
Ecco alcuni esempi di esperimenti sottomarini, cliccate nel nome dell'esperimento e
trovate l'approfondimento
 ANTARES Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental
RESearch
 NEMO Neutrino Mediterranean Observatory
 NESTOR Neutrino Extended Submarine Telescope with Oceanographic Research
 Underground per rivelatori megaton …non sono mai contenti questi fisici e
pensano sempre più in grande…noi siamo così insignificanti…ma li mettiamo
veramente alla prova! Vogliono costruire laboratori underground giganteschi
capaci di accogliere rivelatori con una massa di un milione di tonnellate!
MEgaton Mass PHYSics Progetto per per la realizzazione di un Laboratorio
Internazionale Underground, capace di accogliere un rivelatore Cherenkov con
una massa di un milione di tonnellate di acqua.Il futuro Laboratorio, se verrà
realizzato, sarà dislocato come è indicato nell’illustrazione e avrà riservato un
tunnel di servizio con una serie di bypass per le strutture del laboratorio
Neutrini
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 Il progetto MEMPHYS trova l’approvazione di numerosi fisici europei perché
il sito del Fréjus, oltre ad essere vicino al CERN di Ginevra, presenta
caratteristiche eccellenti per quanto riguarda la protezione nei confronti della
radiazione cosmica indesiderata: cinque volte migliore di quella del Gran Sasso e
addirittura dieci volte rispetto a Kamioka. Questa alta protezione è un vantaggio
enorme quando si vuole rivelare, in particolare il decadimento del protone. Sanno
bene i fisici, infatti, che il decadimento del protone è un evento molto difficile da
osservare in quanto la vita del protone supera i 1030 anni. Allora se il rivelatore
contiene 1030 protoni c’è da aspettarsi un solo evento all’anno, rivelabile in modo
chiaro solo se la schermatura nei confronti della radiazione cosmica è totale, o
quasi. E’ evidente che l’impiego di un rivelatore più massiccio fa aumentare la
probabilità che qualche protone decada e possa essere rivelato
 Il più grande rivelatore Cherenkov, quello di Superkamiokande, non ha colto
alcun segnale di decadimento in un periodo di attività di 5 anni. Gli studiosi
sperano di essere più fortunati impiegando un rivelatore da un milione di
tonnellate. Un rivelatore così grande potrà rivelarsi molto efficace nello studio dei
neutrini emessi da supernovae (se ne “vedrebbero” migliaia nel giro di qualche
secondo) e del decadimento doppio beta (disintegrazione radioattiva caratterizzata
dall’emissione di due particelle beta) e nella possibilità di rivelare i neutralini, le
particelle neutre massicce appartenenti alla categoria delle
WIMP (Weakly
Interacting Massive Particle).
Neutrini
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Underground Nucleon decay and Neutrino Observatory

Half Megaton “Uno” detector sarà, forse, il rivelatore per eccellenza a
disposizione dei fisici americani per lo studio dei neutrini e del decadimento del
protone. Il progetto prevede la realizzazione di un rivelatore Cherenkov da mezzo
milione di tonnellate di acqua da sistemare in un sito da scegliere, tra quelli di
Homestake nel Sud Dakota o di Carlsbad nel Nuovo Messico e la costruzione di un
esperimento di LBL, per lo studio dell’oscillazione e per la misurazione della massa
del neutrino, dai Laboratori Nazionali di Brookhaven e Homestake (2540
chilometri) o Carslbad (2880 chilometri).
Neutrini
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
In questi giorni si stanno assegnando i premi Nobel, e lo scorso 6 ottobre
quello per la Fisica è stato dato a due illustri fisici sperimentali, che lavorano nel
campo delle particelle fondamentali.Il testo del premio recita "per la scoperta
dell'oscillazione neutrinica, che dimostra la massività dei neutrini".Vediamo di
sbrogliare questa frase e capire insieme le vere conseguenze di questa scoperta,
avvenuta nei tardi anni '90 .Innanzitutto, i neutrini. Sono particelle subatomiche
senza carica (neutre) e infimamente piccole (-ini), che si distinguono dai più grandi
neutroni, che compongono gli atomi. Furono teorizzate dal grande Wolfgang Pauli
nel 1930 per spiegare un'anomalia nei decadimenti radioattivi (mancava proprio
della massa). Siccome i rivelatori dell'epoca non vedevano nulla, solo massa che
spariva, queste particelle dovevano essere neutre e molto leggere. Il nome lo
ricevettero dal nostro Enrico Fermi nel 1934, e la loro esistenza fu confermata solo
nel 1956, premiata anche questa da un Nobel nel 1995. Negli anni gli studi sui
neutrini mostrarono, sempre a colpi di Nobel, che queste particelle esistevano in
tre versioni, chiamate "sapori" (non chiedetemi perché. Flavors. Ai fisici piace
essere originali ): elettronico, muonico e tauonico. Tutte le particelle esistono in
questi tre sapori, o generazioni, ma solo il primo è quello che costituisce la materia
che sperimentiamo quotidianamente.I neutrini interagiscono pochissimo, sono gli
asociali della fisica. Nisba. Per smorzare un fascio di neutrini della metà servirebbe
un muro di piombo spesso UN ANNO LUCE. Ma sono anche ovunque,
numerosissimi, più di quanto possiate immaginare, e vengono prodotti
specialmente nelle reazioni di fusione nucleare solari. Ogni secondo, ogni
centimetro quadrato della vostra pelle è attraversato da oltre 60 miliardi di
neutrini solari. E probabilmente in tutta la vostra vita solo uno o due si
Neutrini
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degneranno di interagire con uno dei vostri atomi. Particelle snob. Ora, rivelare i
neutrini è difficile, ma non impossibile (sennò non sapremmo che esistono, no? ).
"Basta" costruire rivelatori enormi, con grandi masse, che siano in grado di
catturare ogni tanto almeno uno delle moltitudini innumerevoli di neutrini che li
attraversano. Più grande il rivelatore, più neutrini si vedranno. Ed eccovi servita
la corsa alle armi della fisica nucleare moderna: "grande è meglio" Dopo la loro
scoperta era ora diventato estremamente importante capire quanti ne venivano
effettivamente prodotti dal Sole, per verificare i primi modelli dell'interno della
nostra stella e dei processi di fusione nucleare. Non mi dilungherò sui dettagli,
basta sapere che il Sole dovrebbe essere un bravo produttore di neutrini
elettronici, quelli più semplici, "di base".E i primi rivelatori dedicati videro sì i
neutrini solari, ma solo 1/3 del flusso atteso. Due neutrini su tre si erano persi per
strada. Questo divenne noto come il "problema dei neutrini solari". Il modello
prevedeva 100, l'esperimento vedeva 33. O il modello era sbagliato o gli
esperimenti erano miopi. Ma più il tempo passava più gli studi di eliofisica ci
suggerivano che il modello era giusto, ci stavamo perdendo dei neutrini. Dov'erano
finiti i "neutrini mancanti"? La risposta arrivò dai rivelatori Super-Kamiokande
(SK), in Giappone, e il Sudbury Neutrino Observatory (SNO), in Canada, i cui
direttori sono i premiati di quest'anno. Questi rivelatori moderni infatti non erano
sensibili solo ai neutrini elettronici, ma anche ai loro cugini strani, mu e tau. SK
mostrò che i neutrini atmosferici erano in grado di "oscillare" tra i vari sapori, o
più semplicemente, un neutrino elettronico poteva "cambiarsi d'abito" e diventare
un mu, o un tau, e viceversa. Contemporaneamente, al SNO si scopriva che i
neutrini solari non sparivano nel tragitto verso la Terra, ma venivano catturati
sottoforma di neutrini diversi, in proporzioni uguali. I neutrini solari, partiti tutti
elettronici, si erano distribuiti lungo il tragitto in modo uniforme anche negli altri
due sapori.I due esperimenti, oltre a risolvere il problema dei neutrini solari che
torturava i fisici da 50 anni, confermarono quindi una predizione teorica elaborata
dal fisico italiano Bruno Pontecorvo, secondo la quale i neutrini possono oscillare a
piacimento tra i tre sapori, se gli si dà abbastanza tempo. Il problema è che questa
oscillazione è possibile se e solo se i neutrini sono dotati di massa! Una cosa
inaudita, visto che la teoria più completa a nostra disposizione in assoluto, il
Modello Standard, prevede che i neutrini siano particelle senza massa, come i
fotoni. Questa è l'ennesima evidenza che il Modello Standard è tutto meno che
completo e perfetto, visto che tale teoria esclude già la quarta forza della natura, la
gravità, dalle sue previsioni.

Il motivo per cui massa e oscillazioni dei neutrini sono collegate è il
principio di indeterminazione quantistico. La forma più celebre di
indeterminazione è quella tra spazio e velocità (“Non posso conoscere
contemporaneamente la posizione di una particella e la sua velocità”), ma ne
esistono altre. Nel nostro caso, il neutrino è soggetto all’indeterminazione tra
massa e flavor: può avere tre distinti flavor (elettronico, muonico e tauonico) oltre
che tre distinte masse (m1, m2, m3); se conosco il flavor, non conosco la massa e
viceversa. Un neutrino elettronico, per esempio, non ha una massa ben definita, ma
è un “miscuglio quantistico” di neutrini m1, m2, m3; viceversa, un neutrino di
massa m1 non ha un flavor ben definito, ma è un “miscuglio quantistico” di
elettronico, muonico e tauonico. L’origine di tutto è questa stranezza quantistica
per cui il neutrino non può avere allo stesso tempo una massa e un flavor ben
definiti. Quando un neutrino si muove nel vuoto ignora il proprio flavor, ma
viaggia in modo diverso a seconda della propria massa. Quindi quando un
neutrino si mette in viaggio “dimentica” il proprio flavor e “si sceglie” una ben
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precisa massa. Al contrario, quando un neutrino reagisce con altre particelle
(come quelle di un rivelatore!) ignora la propria massa, ma reagisce in modo
diverso a seconda del proprio flavor. Quindi quando un neutrino interagisce
“dimentica” la propria massa e “si sceglie” un ben preciso flavor.
Che cosa accade nel caso dei neutrini solari? Nel Sole vengono prodotti neutrini
elettronici: conosciamo il loro flavor, ma ignoriamo la loro massa. Quando si
propagano nel vuoto tra Sole e Terra ciascuno di essi si sceglie una massa
dimenticando il flavor elettronico. Ma quando arrivano nel rivelatore sulla Terra e
interagiscono con esso, tornano ad avere un flavor ben definito (non per forza
elettronico!).Se i neutrini non avessero massa, allora viaggerebbero tutti allo stesso
modo (cioè alla velocità della luce) e non potrebbero cambiare flavor in questo
modo. Parliamo di “oscillazioni” perché il cambio di flavor non avviene del tutto a
caso, ma oscillando con regolarità da un flavor all'altro a seconda della distanza
percorsa.
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