FISICA DEL SOLE E NEUTRINI SOLARI - INFN

FISICA DEL SOLE
E
NEUTRINI SOLARI
Barbara Ricci
Universita’ di Ferrara & INFN-Ferrara
[email protected]
Corso di Eccellenza,Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra
1
Ferrara, 15 Aprile 2013
Indice:
1.
2.
3.
4.
5.
Le principali osservabili solari
Produzione dei neutrini solari
Rivelazione dei neutrini solari
Oscillazione dei neutrini
Conclusioni
2
Massa del sole
Mo= 1.989 (1  0.15%) 1030 kg
Circa 344000 volte la massa della Terra
Come possiamo misurare la massa del
Sole ? Ci aiutano la terza legge di
Keplero e l’esperimento di Kavendish.
Esercizio: ricavare la terza legge nel
caso di orbita circolare…
3
Raggio solare:
distanza tra il centro del sole
e la superficie visibile (fotosfera)
Ro=6.9598 (1 0.04%) 105 km
Terra
RT 6000 km
4
Eta’ del sole
• Datazione radiochimica degli
oggetti piu’ vecchi nel
sistema solare, meteoriti
condritiche:
ts=4.57(1  0.4%) Gyr
• Ne vivra’ ancora altrettanti
prima di diventare una
gigante rossa per poi
spegnersi come nana bianca
tterra 4,5 Gyr
1Gyr= 109 yr
5
Luminosità del sole
Lo=3.844(1  0.4%) 1026 J/s
• Energia prodotta nell’unita’
di tempo
• Una centrale nucleare
produce circa 3x109 W
• Quello che si misura in
realtà è la costante solare:
Ko=1.1 kW/m2
–Esercizio: ricavare la luminosità dalla costante solare, sapendo
che la distanza terra-sole e’ d=1.5 x 1014 m
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Composizione chimica e
Temperatura superficiale
• Circa il 70% della massa del sole è costituita
da nuclei di idrogeno, il 28% circa da nuclei di
elio* e il restante 2% da atomi (ionizzati) più
pesanti, quali ossigeno, carbonio ecc.
• La Temperatura superficiale (fotosfera) e’ di
circa 6000 gradi Kelvin
sulla terra: 35% di Fe, 30% di O, 25% di Si ; T  300 K
*L’elio e’ stato scoperto per la prima volta nella corona solare nel 1895
7
Rotazione del sole
• Rotazione differente ai
poli e all’equatore, non e’
una novita’….
0.1 Rs
0.7 Rs
8
Rotazione del sole
• Rotazione differente ai
poli e all’equatore, non e’
una novita’….
• Al di sotto di 0.7 Ro il
sole ruota quasi
uniformemente*
• Sulla rotazione del
nucleo ancora non si
riesce a dire niente
*Importantissimo successo dell’eliosismologia
0.1 Ro
0.7 Ro
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Diverse immagini del sole
X
UV
visibile
….superficie del
sole
IR
radio
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Un’occhiata all’interno
•Nucleo (1/3 Ms R < 0.1Ro ) :
–reazioni di fusione nucleare:
–in 1 sec 700.000.000 di ton di H sono
convertite in He, liberando energia
–T  16 milioni di gradi
•Zona radiativa (2/3 Ms 0.7Ro < R< 0.7Ro ) :
–l’energia e’ trasportata dai fotoni,
cioè dalla rad. e.m.
•Zona convettiva (2% Ms R >0.7Ro ):
–l’energia e’ trasportata dalla
convezione, cioè dalla materia
•Fotosfera:
ATTENZIONE !
– sottile strato dal quale riceviamo la luce
Il sole e’ opaco alla radiazione.
visibile. T  6000 gradi. Costituisce la
La luce che arriva a noi
"superficie" del Sole
proviene dalla superficie
(fotosfera) e non
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direttamente dal centro
Quale fonte di energia per le stelle?
•L’energia gravitazionale può
sostenere la luminosità del sole
solo per circa 30 milioni di
anni:
EG=GMo2/Ro 4 1041 J
Lo =4 1026 J/s
to=4.57 Gyr
Etot=Loto  6 1043 J
•Troppo poco per rendere conto
dell’evoluzione dei processi
biologici e geologici
•Comprendere la fonte di
energia delle stelle era il
problema scientifico del
secolo scorso:
quale fonte di energia può
sostenere il sole per circa
5 miliardi di anni? 12
La nascita dell’astrofisica nucleare
Einstein
Einstein:
Aston:
Aston
E=mc2
m(He)<4 m(H)
Eddington: “Certain physical investigations
Eddington
in the past year make it probable to my mind
that some portion of sub-atomic energy is
actually being set free in a star. … If five per
cent of a star's mass consists initially of
hydrogen atoms, which are gradually being
combined to form more complex elements, the
total heat liberated will more than suffice for
our demands, and we need look no further for
the source of a star's energy…” (Nature 1920)
[5%Moc2 9 1045 J]
Poco oltre... “If indeed the sub-atomic energy in the stars is being freely used to maintain
their great furnaces, it seems to bring a little nearer to fulfillment our dream of controlling
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this latent power for the well-being of the human race - or for its suicide”
Energia nucleare
-G. Gamow propose negli
anni ‘60 che all’interno del
sole avvenisse la reazione di
fusione:
4 p -> 4He + 2e+ +2neutrini
neutrini
+ 27 MeV*
-Come dimostrarlo?
I neutrini riescono ad
attraversare la stella e
giungono fino a noi.
-Occorre rivelare i neutrini per avere la prova della fonte di
14
energia del sole
-13
*1 MeV= 1.6 10
J
Carta di Identità del neutrino
• Particella, associata a un tipo di
interazione (debole)
• Nascita: 1930
• Maternità/Paternità: Pauli,
Fermi (Pontecorvo)
• Residenza: quasi ovunque
• Provenienza: stelle, reattori
nucleari, acceleratori di
particelle...
• Massa: “piccola
piccola, quasi zero”
• Segni particolari: Estremamente
elusiva/penetrante
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Particelle molto “elusive”
• Quanti sono i neutrini solari ? Calcoliamolo:
– costante solare: Ko  1KW/m2
– ogni 2 neutrini si libera: Q=27 MeV
– flusso di neutrini sulla terra (esercizio):
Fn=2 Ko /Q  6 1014 neutrini/m2/s *
• Sono tanti ma interagiscono ‘debolmente’ con la
materia
• Nel rivelatore GNO (30 ton di Gallio), si hanno
0.5 eventi / giorno
*muoni cosmici a livello del mare: 100 muoni
muoni/m
/m2/s
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“Underground
physics”
•Per rivelare una
radiazione cosi’
elusiva, penetrante,
occorre “difendersi”
dalle altre radiazioni
(raggi cosmici,
radioattivita’ naturale)
•Bisogna andare
sottoterra e in zone a
bassa radioattivita’
17
Laboratori Nazionali del Gran Sasso
(INFN)
Il laboratorio del
silenzio cosmico
La frontiera della
radioattività zero
S.S. 17 BIS km. 18.910
67010 Assergi L’Aquila
tel. +39 0862 4371
[email protected]
www.lngs.infn.it
18
Laboratori Nazionali del Gran Sasso
Gli uomini
Gli scavi
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p
a
s
s
a
t
o
p
r
e
s
e
n
t
e
I rivelatori
MACRO
GNO
OPERA
BOREX I NO
ICARUS
20
Il “problema dei neutrini solari”
Anni ‘70: L’esperimento Homestake (in USA) apre la
questione: si osservano 2/3 dei neutrini predetti dai
modelli teorici del sole
Anni ‘80: Kamiokande e SuperKamiokande (in
Giappone) confermano il problema
Anni ‘90: Gallex e GNO (in Italia) e Sage (in Russia)
confermano il problema
Possibile soluzione: oscillazione di neutrino
(Pontecorvo 1957); possibile solo se i neutrini hanno
massa, anche se piccolissima
21
*RJ Davis Jr , M. Koshiba e R. Giacconi premio Nobel per la fisica 2002
I neutrini oscillano!
SNO
•Esperimento SNO (Canada):
2/3 dei neutrini solari di alta
energia oscillano durante il tragitto
sole-terra
•Esperimento KamLAND (Giappone)
con (anti)neutrini da reattori
nucleari: meta’ dei neutrini
prodotti dai reattori “sopravvive”
Kamland
•Neutrini “atmosferici”: circa meta’
dei neutrini prodotti dalla
interazione dei raggi cosmici con
l’atmosfera oscillano (esp. MACRO,
Kamiokande, Superkamiokande)
22
The Borexino detector@ LNGS
Stainless Steel Sphere:
R = 6.75 m
2212 PMTs 1350 m3
•300 ton di materiale
scintillante ultrapuro
(PC), circondato da 2200
fototubi (PMT)
Scintillator:
270 t PC+PPO (1.5 g/l)
in a 150 mm thick
inner nylon vessel
(R = 4.25 m)
Buffer region:
•Nato per rivelare i
neutrini solari di energia
‘inermedia’, 1 MeV, ma
e’ andato oltre…
PC+DMP quencher (5 g/l)
4.25 m < R < 6.75 m
Water Tank:
g and n shield
m water Č detector
208 PMTs in water
2100 m3
•Ha iniziato a prendere
dati nel 2007 e sta
continuando.
https://borex.lngs.infn.it/
Fototubi in Borexino
24
Borexino: sfera di nylon
25
Borexino: risultati (1)
Segnale osservato/segnale atteso
Oscillazione di neutrini solari a basse energie
e ad alte energie
Probabiita’ di non-oscillazione
in funzione dell’ Energia dei neutrini
26
*figura da G. Statera: , Neutrino Telescopes, 11-15 march 2013, Venice , Italy
Borexino: risultati (2)
• La distanza terra
sole cambia durante
l’anno (e=0.0167)
• Il segnale di neutrini
solari modulato
temporalmente
• Variazione mensile del
segnale dei neutrini
solari osservata.
27
*figure da G. Statera: , Neutrino Telescopes, march 2013
Borexino: non solo Sole…..
•Rivelazione di antineutrini prodotti dal
decadimento di materiale
radioattivo (U e Th)
presente nella crosta e
nel mantello terrestre
(geo-neutrini)
•Nel periodo 2007-2012
sono stati osservati 23
eventi dovuti ai
geoneutrini
28
*figura da G. Statera: , Neutrino Telescopes, 11-15 march 2013, Venice , Italy
Da Ginevra al Gran Sasso
•Sparare neutrini
prodotti al CERN di
Ginevra sotto la crosta
terrestre per 732 Km
•in questo viaggio i
neutrini possono
oscillare
•Esperimento OPERA: dal Cern partono neturini di tipo
muonico, durante la strada alcuni di loro si
trasformano in neutrini di tipo tauonico
•Altri esperimenti nel mondo (Cina, Giappone, Korea,29
Francia) vedono e studiano l’oscillazione dei neutrini
Conclusioni
• Il sole “funziona” ad energia nucleare:
la rivelazione dei neutrini solari ne e’
la prova.
• Problema dei neutrini solari risolto: i
neutrini “oscillano”. Anche i neutrini
da reattore e i neutrini atmosferici
oscillano.
• Presente/Futuro: determinazione
accuratamente i parametri
dell’oscillazione
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Cosa facciamo a Ferrara ?
• Usiamo il sole come “laboratorio” per lo studio
teorico delle reazioni nucleari, come test di
esistenza di possibili particelle esotiche
• Abbiamo collaborato con LUNA, acceleratore
realizzato al Gran Sasso per lo studio delle
reazioni nucleari in condizioni simili a quelle
esistenti nelle sole
• Si studiano gli antineutrini prodotti all’interno
del nostro pianeta a causa del decadimento dei
nuclei di Uranio e Torio
• Collaboriamo con Borexino per la rivelazione degli
antineutrini terrestri
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Venite a trovarci !
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