il neutrino nel mondo delle particelle: a che servono i ... · “fette ottiche ” emulsione ......
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IL NEUTRINO
• Il neutrino nel mondo delleparticelle: pre-istoria e storia
• A che servono i neutrini ?
• Enigmi
• Come si “vedono” i neutrini,e per quali scopi:esperimenti, come esempi
FisicaAstrofisicaCosmologia
Paolo StrolinOttobre 2006
Disegni di Laura Strolin
Per saperne di più
Seminari su particelle elementari
www.na.infn.it → Anno Mondiale della Fisica→ Per le Scuole → Seminari→ Particelle Elementari e Raggi Cosmici
Un buon sito sul neutrino
wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/neut.html
Becquerel, 1896Radioattività naturale:
misteriosi “raggi” emessi dall’uranio(scoperta quasi per caso)
Lastre fotograficheal buio registrano una misteriosa “radiazione”
Una Croce al Meritodà “ombra”
e
1909 Bucherer: i raggi ββββ sonoelettroni
1899 Rutherford: raggi differenti α α α α , ββββ , γγγγ
1903Rutherford e Soddy:fenomeno associato a unatrasmutazione di elementi chimici
αααα γγγγ ββββ
Elementi“radioattivi”
(Uranio, …) 1930 Ipotesi di Pauli:nel decadimento ββββ, assieme all’elettrone è emessauna particella invisibile (neutra)poi chiamata “neutrino” da Fermi
νννν
“ Tentativo di una teoria dei raggi ββββ”Enrico Fermi (1934)
Sunto -Si propone una teoria quantitativa dell’emissione dei raggi β in cui si ammette l’esistenza del “neutrino” e si tratta l’emissione degli elettroni e dei neutrini da un nucleo all’atto della disintegrazione β con un procedimentosimile a quello seguito nella teoria dell’irradiazione per descrivere l’emissione di un quanto di luce da un atomo eccitato. Vengono dedotte delle formule per la vita media e per la forma dello spettro continuo dei raggi β, e le si confrontano con i dati sperimentali.
Interazione Debole
con probabilità proporzionale a GF2
(molto più piccola che per interazioni e.m.)
InterazioneElettro-Magnetica
p
e-nGF
νννν
e-
e-
γγγγ
“Osservazione diretta” del neutrinotramite le sue rarissime interazioni (“deboli”)
(Pontecorvo 1946; Reines e Cowan 1956, 26 anni dopo l’ipotesi di Pauli)
La “firma” del neutrinonulla di visibile entra, esce un positrone
rivelatore di particelledi grande massa
reattorenucleare p
n
e+
νννν + p → e+ + nn neutro, p quasi a riposo: nessuno dei due viene visto
intensoflusso di ν
Le Particelle Elementari un secolo dopo Becquerel
Il neutrinoLa particella più misteriosa
Importantissimo per Fisica, Astrofisica e Cosmologia
Sono “elementari” in senso assoluto? Emergerà una più profonda struttura della materia?
tre “famiglie”
Quarksbs
cdu t
tre neutriniLeptoni
ττττννννµµµµµµµµ
ννννe
eννννττττ
Le Interazioni Fondamentali
Quarks Forte (+ e.m. + Debole)
e- , µµµµ- , ττττ- e.m.( + Debole)
Neutrini Debole
… agiscono su
Interazioni puramente deboli dei neutrini↓
Prima conferma sperimentale dell’Unificazione “Elettro-Debole” (CERN 1973)poi coronata dall’osservazione di W± e Z0 (CERN 1983)
negli anni ’70 Unificazione
Elettro-Debole
Mediatori Intensità relativa
Forte (nucleare) gluoni 1Elettro-Magnetica γγγγ 10-2
Debole W±, Zo 10-6
Gravitazionale ? 10-40
A che servono
i neutrini?
Michelangelo Merisi, detto il Caravaggio (1573-1610)Cestino con frutta (1590?), Galleria Ambrosiana (Milano)
Senza neutrini, il Sole nondarebbe
calore !
Non ci saremmo noi, non ci sarebbe frutta sulla Terra.
Infatti ….
Il Sole e le stelle sono reattori a fusione nucleareL’enorme energia irradiata non può venire da reazioni chimiche (Eddington , 1920)
luce e calore
p ++++ p →→→→ d + e+ ++++ νννν
d ++++ p →→→→ 3He ++++ γγγγ
3He ++++ 3He →→→→ 4He + + + + 2p
p ++++ p →→→→ 4He ++++ νννν + γγγγ + ...+ ...+ ...+ ...
“Ciclo p-p”
+e++++ + + + + νννν
+ + + + γγγγ
→
→
→
neutroneprotonecon
Senza il neutrinoSole e stelle non splenderebbero
Juan Miró (1893-1988)
Il bel volatile decifra l’incognito a una coppia di innamorati
Museum of Modern Art(New York)
E ora veniamo agli enigmi!
Bassissima probabilitàdi interazione
↓
Esperimenti difficili:
ancora molti misteri
Il neutrino e le sue proprietà sono un “punto nodale” nella ricerca
Fisica
Astrofisica Cosmologia
νννν
Astrofisicaneutrini come “messaggeri cosmici”
Fisica del Sole e delle stelleCollassi stellari e Supernove
Sorgenti remote di raggi cosmici ( “Astronomia con neutrini” )
Cosmologianeutrini come “primi attori”
Neutrini “reliquie” del Big Bang(permeano l’universo come le micro-onde della Radiazione Cosmica di Fondo)
Materia Oscura ed evoluzione dell’UniversoIl mistero dell’apparente assenza di antimateria nell’Universo
Fisica Delle Particelle Elementarineutrini come “pionieri”
mν > 0 : scoperta di nuova fisica oltre le attuali teorie (“Modello Standard”)
Fisica, Astrofisica e Cosmologia
Le proprietà fisiche del neutrino0carica elettrica
½momento angolare di “spin”
“debole”interazione con la materia
??violazione della “simmetria CP”
ν ν ν ν ≠≠≠≠ νννν (Dirac) o ν ν ν ν ==== ν ν ν ν ((((Majorana) ??
??altre proprietà
recenti scopertema ancora molto lavoro per una completa comprensione
piccolissima ma > 0 : ?massa
“mescolamento” parzialmente conosciuto: ?
Fisica
Astrofisica Cosmologia
νννν
Evidenza della “Materia Oscura” da galassie in rotazione
Effetto Doppler:la frequenza dipende
dalla velocità rispetto a noi
↓↓↓↓Velocità delle stelleRadiazione elettromagnetica
(luce, … )Sunflower galaxy
Vel
ocità
di r
otaz
ione
Distanza dal centro galattico
Distribuzione delle velocità di rotazione
delle stelle nelle galassie
↓↓↓↓
dati sperimentali(velocità, quindi massa,
molto più grandi)
Materia Oscura ~ 10 x materia visibile!Una misura di quanto vi è ancora da scoprire
Determina l’evoluzione dell’Universo
Materia Oscura!massa “visibile”
attesa dalla massa “visibile”
Materia “visibile”emette radiazioni elettromagnetiche: onde radio, micro-onde, I.R., luce, U.V., raggi X
Radiazione elettro-magnetica “reliquia” del Big-BangGamow 1948, Arno e Penzias 1965
~ 400 / cm3 a 2,7 °K, 10 miliardi di volte più numerosa delle particelle di materia
Neutrini “reliquie” del Big-Bangaltrettanto abbondanti
Che cosa potrebbe essere Materia Oscura?
• in (piccola) parte neutrini con massa > 0 anche se molto piccola (visto l’enorme numero di neutrini nel cosmo)
• particelle elementari tuttora ignote?• corpi macroscopici ?• ?
Materia nota dell’Universo
I neutrini e l’apparente assenza di antimateria
nell’Universo
E se ci fossero anti-galassie?
Fisica
Astrofisica Cosmologia
νννν
immanedisastrogalassia anti-
galassia
Che cosa ci può salvare dall’immane disastro?
Nei processi elementari (al Big Bang),materia e antimateria vengono createin misura eguale, ad esempio : γγγγ
e- elettronee+ positone
(anti-elettrone)
Come è scomparsa l’antimateria e non la materia?
La cosiddetta “violazione di CP” implica una evoluzione diversaper materia e antimateria: potrebbe salvarci ma la violazione di CP vista per i quarks non basta!
Dobbiamo scoprire una violazione di CP anche per i neutrini : oggi impossibile, ma forse per gli attuali studenti ….
L’intrigante “mescolamento” dei neutrini
Quando i neutrini viaggiano indisturbati
bisogna invece riferirsi agli stati a massa definita νννν1, νννν2 , νννν3
ννννe , ννννµµµµ , ννννττττ ne sono “miscugli”, secondo la Meccanica Quantistica
ννννe , ννννµµµµ , ννννττττ ↔ νννν1, νννν2 , νννν3
Distinguiamo ννννe , ννννµµµµ , , , , ννννττττ perché
• sono prodottiin associazione con e, µµµµ , ττττ• interagendoin un apparato sperimentale producono e, µ µ µ µ , ττττ
Per i neutrini la magia è realtà
M.C. Escher, Metamorphose III (1967-68), parte di una xilografia di 0.2 m x 7 m
Possono cambiare identità: “oscillazioni” di neutrino”
Un effetto di Meccanica Quantistica che si verifica se mνννν > 0(→ il metodo più sensibile per studiare la massa del neutrino)
L’acceleratore di particelle
produceννννµµµµ
miscuglio diν1, ν2 e ν3
L’esperimento talvolta vede
ad esempio
ννννττττmiscuglio
“ diverso” da νµ
La propagazione diν1, ν2 e ν3dipende dalla loro massa
Se mν > 0 il miscuglio cambia
Osservazioni effettuate e problemi aperti
• Deficit di neutrini ννννe prodotti dal Sole:νe trasformati in altri neutrini, non visti dagli apparati sperimentali
• Deficit di neutrini ννννµµµµ prodotti da raggi cosmicinelle loro interazioni con l’atmosfera:νµ trasformati in ντ (?) non visti dagli apparati sperimentali
• Questioni aperte:- osservazione diretta di oscillazioniνµ→ ντ- misure più precise e completedei parametri fisici che governano le oscillazioni- come scopo ultimo, scoperta della violazione di CP
Nel seguito: la ricerca di oscillazioni ννννµµµµ→ ννννττττ(ruolo molto importante dei fisici napoletani)
Ricerca di “apparizione” di ννννττττ in un puro fascio di ννννµµµµ
ννννµµµµoscillazione?
ννννττττ
• Il ννννττττ interagisce nell’apparato sperimentalee produce la sua particella associata, il leptoneττττ
ττττ-
νµντ
µµµµ-~ 1 mm
• Il leptone ττττ vive ~ 10-13 s e decade entro ~ 1 mm
• Neutrini invisibili:il decadimento lascia una corta traccia a “gomito”
→ Esperimento CHORUSsul fascio di neutrini al CERN di Ginevra
→ Esperimento OPERAsul fascio di neutrini al CERN al Gran Sasso
“gomito”ττττPer avere un’idea
della scala
Per cercare il raro gomito del ττττUn “ago nel pagliaio” di un gran numero di interazioni di neutrino
in un “rivelatore” di grande massa 1 tonnellata CHORUS
2000 tonnellate OPERA
Sviluppi tecnologici
Emulsioni Nucleari*→ altissima risoluzione spaziale
Microscopia automatica→ altissima velocità di analisi
* Come pellicole fotografiche, ma- sensibili a singole particelle- risoluzione spaziale < 0,001 mm- immagine in tre dimensioni
0,1 mm
Interazione di neutrinoin emulsione nucleare
0,1mm10 cm
Microscopio per analisi automatica di immagini
in tre dimensioni
Interamente controllato da computerAltre applicazioni: biofisica, …
Emulsioni
Ottica
Telecamera
Immagine “tomografica”digitizzata in tre dimensioni
Terza dimensione:spessore emulsioni
Ottica~ 0,003 mm di
profondità di fuoco
mettendo afuocodiverse
profondità➪
“fette ottiche”
emul
sion
enu
clea
re
Telecamera veloce
Supporto mobile
L’apparato sperimentale di OPERA al Gran Sasso
νννν
Spettrometroper muoni
super-modulo
Bersaglio per interazioni di ννννOgni “super-modulo” contiene 31 “moduli”
costituiti da:
- una “parete” di “mattoni di Pb e emulsioni
- due piani di “rivelatori elettronici”
rivelatori elettronici
mattoni
modulo
mattone(56 “celle” Pb/Em).
8 cm
~200,000 mattoni
La ricerca delle oscillazioni ννννµµµµ-ννννττττ , oggi
Da esperimenti con
• neutrini solari• neutrini prodotti da interazioni di raggi cosmici con l’atmosfera
La massa del neutrino risulta molto più piccoladi quella indagata al CERN stesso
(dove vengono prodotti i neutrini)
Per vedere un effetto
bisogna “far viaggiare più a lungo” i neutrini(la tecnica delle emulsioni resta valida, seppure in modalità diverse)
Quindi ora … esperimento OPERA con ννννµµµµ dal CERN al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (INFN)
ννννττττ ?
fascio di ννννµµµµ
Grazie alla loro debolissime interazioni …..
I neutrini prodotti all’interno del Sole emergono da essoe ci danno informazioni sui processi che vi avvengono
Ogni altra radiazione (luce, ..) viene assorbita
I neutrini possono giungere a noi dal remoto UniversoSenza assorbimento (a differenza di luce, raggi γ , … )
Non deflessi da campi magnetici (a differenza delle particelle cariche)
i protoni sonodeflessi o assorbiti
la radiazione elettromagnetica è assorbita solo i neutrini possono
giungere a noi dalle sorgenti più lontane
I neutrini dalle stelle e dal Cosmosono eccezionali messaggeri astrofisici
↓
“Astrofisica con Neutrini ”
Premio Nobel 2002 a Davis e Koshiba per avervi dato inizio
Fisica
Astrofisica Cosmologia
νννν
Vedi presentazione di Giancarlo Barbarino