Il neutrino e la materia oscura

Il neutrino e la materia
oscura:
fra curiosità e precarietà
Gianfranca De Rosa
Dip. di Scienze Fisiche & INFN
Di contratto in contratto…
Ricerca di Oscillazioni di
neutrino
Esperimento OPERA
(1998-2005)
Ricerca di raggi cosmici con
esperimenti nello spazio
Esperimento PAMELA
(2005-2009)
Produzione di Charm in
interazioni di neutrino
Esperimento CHORUS
(2000-2006)
Ricerca di neutrini astrofisici
Progetto NEMO-KM3Net
(2005-oggi)
Ricerca di Oscillazioni di
neutrino
Esperimento T2K.
(2005-oggi)
Esperimenti diversi, varie attività di ricerca e
“casi” di fisica, nell’ambito della fisica delle
Astroparticelle
Due misteri ancora da chiarire:
Cosa è la materia oscura?
I neutrini hanno massa?
E poi:
c’è un legame tra i neutrini e
la materia oscura?
La Materia oscura
Osservando le stelle della Via Lattea si trova che la loro
rotazione intorno al centro galattico è più veloce di quanto
previsto dai calcoli teorici, che tengono conto della forza di
gravità esercitata dalla massa osservata (visibile) dell’intera
galassia. La stessa osservazione è stata fatta anche
riguardo alle galassie, le cui stelle più esterne ruotano ad
una velocità maggiore del previsto.
La Materia oscura
Deve esistere un quantitativo di materia non visibile, ma
"attivo" gravitazionalmente che giustifica quei valori di
velocità misurati: deve esserci molta più materia di quella
che possiamo vedere!
Da questa e da altre osservazioni si deduce che il 90%
della materia presente nel cosmo è composta da oggetti o
da particelle che non possono essere viste: in altri termini,
la maggioranza della materia cosmica non emette luce (o
meglio radiazione).
Questa "massa mancante" è chiamata materia oscura, un
nome che tiene conto appunto della sua fondamentale
caratteristica: l'invisibilità.
I neutrini
I neutrini sono particelle elementari neutre prodotte nelle
interazioni nucleari che avvengono nelle stelle (e in
particolare nel Sole), nell’interazione dei raggi cosmici con
l’atmosfera terrestre, ma possono essere anche generati in
altri tipi di processi o creati agli acceleratori.
Esistono tre diversi tipi di neutrini (νe, νµ, ντ) associati a tre
diverse particelle cariche (e, µ, τ). Nel modello teorico che
descrive le particelle elementari, la massa dei neutrini è
nulla.
Tutti gli esperimenti che hanno studiato i neutrini provenienti
dal Sole o dalle interazioni dei raggi cosmici con l’atmosfera,
indicano una discrepanza con i modelli teorici spiegabile
inevitabilmente con una massa non nulla per queste
particelle.
Se hanno massa, neutrini di un certo tipo possono
trasformarsi in neutrini di un altro tipo e “sfuggire” alla
I neutrini
Nel formalismo della meccanica quantistica, il fenomeno delle
oscillazioni di neutrino è descritto dalla matrice di mescolamento che
trasforma neutrini con una certa massa (ν1, ν2, ν3) in neutrini con un
dato sapore (νe, νµ, ντ):
La probabilità che si abbia oscillazione dipende da alcuni parametri:
- gli angoli di mescolamento θ12 e θ23
- le differenze delle masse al quadrato Δm122= m12-m22 e Δm232= m22-m32
- il termine eiδ che tiene conto della possibile violazione di una
importante proprietà di simmetria: CP (Coniugazione di Carica e Parità)
L’obiettivo degli esperimenti che ricercano oscillazioni di neutrino è la
misura di questi parametri.
La presenza di una massa diversa da
zero per i neutrini avrebbe interessanti
implicazioni di carattere astrofisico e
cosmologico.
In particolare:
Se la massa dei neutrini è non nulla,
potrebbero essere la componente della
materia oscura!
In questo scenario viene progettato l'esperimento CHORUS:
In questo esperimento
emulsioni nucleari
consentono di
“fotografare”
l’interazione di neutrino
120 µm
Microscope event view
150 µm
Ma…
Super-Kamiokande (1998): l’anomalia dei neutrini atmosferici è
interpretabile come oscillazione di neutrino νµ→ ντ
CHOOZ (reattore): l’oscillazione νµ→νe non può spiegare l‘anomalia
K2K e MINOS (acceleratori) confermano il segnale di
SuperKamiokande
Δm232 = (2.43±0.13)×10-3 eV2
s in22θ23 = 1.0
CHORUS non poteva osservare le
oscillazioni di neutrino perché la regione
dei parametri che investigava è diversa
da quella in cui il segnale di oscillazione
è stato rivelato.
La massa del neutrino non
può spiegare la materia
oscura
Il limite posto da CHORUS:
sin2 2θµτ < 4.4 × 10−4 per grandi valori di
Δm2
(CHORUS Coll. Nucl.Phys.B793:326-343,2008).
Altro contributo di CHORUS: studio della produzione di charm in interazioni di
neutrino
Per confermare il segnale di oscillazione osservato da
SuperKamiokande è progettato l’esperimento OPERA
(Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus ),
attualmente in fase di acquisizione nei laboratori del Gran
Sasso.
L’obiettivo dell’esperimento è la
rivelazione dell’apparizione del
neutrino di tipo τ nel fascio di
neutrini di tipo µ prodotti al CERN
di Ginevra dopo aver viaggiato
circa 730 km.
La regione dei parametri di
oscillazione esplorata è quella che
descrive l’anomalia dei neutrini
atmosferici:
Δm232 = (2.43±0.13)×10-3 eV2
s in22θ23 = 1.0
I neutrini oscillano! …ma i parametri di oscillazione devono
essere misurati al meglio!
L’esperimento T2K (Tokai to Kamioka), realizzato in Giappone e attualmente
in fase di acquisizione, ha l’obiettivo di misurare l’angolo di mescolamento θ13
e migliorare la misura dei parametri Δm232 e θ23 e, in una fase futura, la
misura del parametro di violazione di CP δ.
T2K è esposto al fascio di neutrini di tipo µ
prodotti all’acceleratore JPARC ed è costituito
da un rivelatore installato in prossimità del
punto di creazione dei neutrini (nd280) e il
rivelatore di SuperKamiokande a 295 km.
24 Febbraio 2010: Primo evento di neutrino
osservato in SuperKamiokande
Ad ogni punto colorato
corrisponde un rivelatore
attivato.
I due cerchi che si vengono
a formare indicano che un
neutrino ha probabilmente
prodotto una particella
chiamata π0
La scoperta delle oscillazioni di neutrino è una delle
scoperte di fisica più eccitanti degli ultimi anni!
La massa stimata per i neutrini è però comunque
troppo piccola per spiegare la materia oscura.
Probabilmente costituiscono parte della materia
oscura (quella che viene chiamata “materia oscura
calda”) ma la natura della materia oscura rimane
ancora non risolta.
L’ipotesi più accreditata prevede la materia oscura
composta da particelle massive (con massa tra 10GeV
qualche TeV), mai ancora osservate ma previste da
estensioni del modello standard delle particelle elementari:
i neutralini χ.
Dall’annichilazione di queste particelle si producono
coppie particella-antiparticella che possono permettere
la loro rivelazione.
Signal (supersymmetry)…
… and background
Lo spettro di positroni
e antiprotoni che ci si
aspetta secondo i
modelli di
propagazione dei
raggi cosmici
(produzione
secondaria) viene
modificato se
l’annichilazione del
neutralino genera
coppie elettronepositrone o protoneantiprotone.
(GLAST-FERMI
AMS-02)‫‏‬
KM3Net,
IceCube
PAMELA
(e AMS, Bess,
….ecc)
Annichilazione di Neutralino
Launch 15/06/06
L’esperimento su satellite
PAMELA ha quale obiettivo
principale la ricerca indiretta di
materia oscura attraverso la
misura dei flussi di positroni e
antiprotoni.
Altri obiettivi di PAMELA:
  Ricerca di antimateria primordiale
  Studio della propagazione dei raggi
cosmici
  Fisica solare
  …..
I risultati di PAMELA:
Il flusso di antiprotoni è
consistente con quello
atteso…
PAMELA Coll.
Phys.Rev.Lett.
, 2009.
Antiprotoni
Per energie superiori ai 10 GeV il
flusso di positroni è molto maggiore
di quello atteso!
PAMELA Coll.
Nature, 2009.
Positroni
PAMELA ha rivelato la materia oscura?
Molte diverse
interpretazioni
dell’”anomalia”….
.
Pulsar
Component
Yüksel et al. 08
KKDM (mass 300
GeV)
Hooper &
Profumo 07
Pulsar
Component
Atoyan et al. 95
Pulsar
Component
Zhang & Cheng
01
Secondary production
Moskalenko & Strong
98
…ma il segnale osservato potrebbe più probabilmente essere
dovuta ad una sorgente astrofisica, probabilmente una pulsar….
Un altro modo per rivelare i neutralini è cercare i neutrini che
vengono prodotti dalla sua annichilazione…
Se i neutralini
ρχ
χ
costituiscono la
materia oscura, c’è
Sun
una buona
probabilità che
σscatt
rimangano
“intrappolati” per
effetto della forza Γcapture
gravitazionale, nel
Γannihilation
Sole o nella
Terra….
velocity
distribution
Earth
ν interactions
νµ
ν int.
µ int.
Detector
µ
Si può quindi cercare un eccesso di neutrini di alta energia
provenienti dal Sole, dal centro della Terra ….
Però per osservare neutrini con questa energia è necessario
costruire rivelatori enormi, dalle dimensioni di circa 1 km3
Per realizzare rivelatori così grandi, l’unica possibilità è
instrumentare grandi volumi naturali, come l’acqua del mare o dei
laghi, o il ghiaccio antartico
Un progetto
europeo prevede la NESTOR
realizzazione di un ANTARES
telescopio di
neutrini nel Mar
Mediterraneo:
NEMO
KM3Net
BAIKAL
Mediterranea
n
km3
DUMAND
AMANDA
ICECUBE
Oltre alla ricerca di materia oscura, i telescopi di neutrino ci permetteranno
una maggiore comprensione dei fenomeni alla base del nostro Universo.
Infatti, i neutrini, essendo elettricamente neutri ed interagendo solo
debolmente con la materia, sono in grado di attraversare enormi distanze
senza essere né assorbiti né deflessi dai campi magnetici. Costituiscono
quindi una sonda astronomica preferenziale per l’osservazione dei fenomeni
astrofisici di alta energia
Neutrino Astronomy: una nuova
finestra sull’Universo!!
Il neutrino è una delle particelle più sfuggenti e per questo
più affascinanti della fisica moderna.
La comprensione delle sue proprietà ci permetterà
una migliore conoscenza dei meccanismi alla base del
nostro Universo
Potrebbe aiutarci ad identificare la materia oscura
….tante cose ancora da studiare e capire!
Di contratto in contratto…
Produzione di Charm in
interazioni di neutrino
Ricerca di Oscillazioni di neutrino
Esperimento CHORUS
Esperimento T2K
Ricerca di Oscillazioni di
neutrino
Esperimento OPERA
Ricerca di neutrini astrofisici
Ricerca di raggi cosmici con
esperimenti nello spazio
Progetto NEMO-KM3Net
Esperimento PAMELA
Tra la ricerca di un nuovo contratto e la curiosità!!
Un’altra grande questione ancora aperta:
Esperimento CHORUS
Esperimento T2K
14% Donne (2005)
N.C
Esperimento OPERA
PAMELA
23% Donne (2010)
20% Donne (2009)
NEMO
15% Donne (2006)
E in rarissimi casi donne con ruoli di “alta” responsabilità!
A cosa è legata l’asimmetria della partecipazione di
uomini e donne ai nostri esperimenti???
e ……
ecco qua!