IL NEUTRINOIL NEUTRINO

•Preistoria•Storia•A che serve ?

•EnigmiFisicaAstrofisicaCosmologia

Bibliografia

• A. Ereditato, V Palladino e P.S.- L’enigma del neutrino- Sapere (Feb. 96)

• L.M.Krauss - La Materia Oscura - Le Scienze (Feb 87)

• J. Bahcall - Neutrini dal sole - Le Scienze (Ott 69)

• J. Bahcall - Il Problema dei neutrini solari - Le Scienze (Lug 90)

Paolo Strolin ( con la collaborazione artistica e informatica di Laura Strolin e Catello Ingenito )

titolo

e-

BECQUEREL 1896SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA’ NATURALE

Elementi radioattivi (*)

Uranio, Radio, ..

(*) Copyright Marie Curie

e si scoprì poi che assieme a

viene emesso e-

radiazioni

Nulla si crea nulla si distrugge

apparentemente, ma : Einstein 1905

E mc2

energia materia

energia - materia 1

Più precisamente: {ENERGIA materia anti-materia (*)

esempi:

e- elettrone

e+ positrone (anti-elettrone)

w-

e- elettrone

anti-neutrino

includendo nel bilancio energia, materia e anti-materiasi ritrova

“nulla si crea e nulla si distrugge”

energia - materia 2

(*) Antimateria : Dirac 1928 , Anderson (e+) 1932

Neutrino e antineutrino

E così abbiamo :

Decadimento Decadimento nuclearee-

60Co 60Ni e-

n p e- ( F. Perrin 1933 )

d u e- (Teoria dei Quarks 1964)

IPOTESI DI PAULI (1930)

• Ee Edisp , quindi che porta via energia e m0

• “ladro” invisibile perchè elettricamente neutroE disponibile

( mnuclei c2 )

even

ti

Energia di e

sezione d’urto

Per le particelle elementari (come )“sezione d’urto”

invece che “dimensioni” (es. r2 di una pallottola)

10-38 cm2

diametro atomo -cm

diametro nucleo

-cm

Il neutrino ha una probabilità piccolissima di interagire con la materia :

“Interazione Debole”

FermiTENTATIVO DI UNA TEORIA DEI RAGGI

di Enrico Fermi (1934)

Sunto - Si propone una teoria quantitativa dell’emissione dei raggi 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 con un procedimento simile aquello 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 , e le si confrontano con i dati sperimentali.

Ipotesi Fondamentale della teoria §1 Nel tentativo di costruire una teoria degli elettroni nucleari e dell’emissione dei raggi , si incontrano, come è noto due difficoltà principali. La prima dipende dal fatto che i raggi primari vengono emessi dai nuclei con una distribuzione continua di velocità. Se non si vuole abbandonare il principio della conservazione dell’energia, si deve ammettere perciò che una frazione dell’energia che si libera nel processo di disintegrazione sfugga alle nostre attuali possibilità di osservazione. Secondo la proposta di Pauli si può, 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 vengano emessi simultaneamente un elettrone, che si osserva come raggio , e un neutrino che sfugge aall’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, dipende 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.

Interazione ELETTROMAGNETICA

p

e-nGF

Interazione DEBOLEGF << (sono probabilità)

e-

e-

scoperta

e qua finisce la preistoria ...scoperta (*) del

(Reines e Cowan 1956)

(*) Osservazione di neutrini che interagiscono (debolmente !!) con la materia in un “rivelatore” di particelle : la “scrittura” dei neutrini !

Rivelatore

pn

e+

p e+ n

Reattore Nucleare

n invisibile , p fermo quindi pure invisibile

particelle

dopo tante affascinanti ricerche ..

Olimpo delle attuali (*)

PARTICELLE ELEMENTARI

Quarks ( - - )( --)( -- )

FAMIGLIE

Leptoni ( -)( - )( e

e-) non ancoraosservato!

n.b. - ora differenziamo e , ,

di questo olimpo il è un membro SPECIALE ED IMPORTANTISSIMO

(*) Saranno considerate elementari un domani, o si scoprirà che alcune in realtà sono strutture composte ?

mediatori intensità relativa

Forte (Nucleare) g 1Elettromagnetica

Debole

W Z0

10-2

10-6

Gravitazionale ? 10-40

Quarks Forte ( + e.m. + debole)

Leptoni - Elettroni carichi E.m. ( + debole)

Neutrini debole

I hanno permesso di isolare e capire le Interazioni DeboliW+ e Z0 (Rubbia 1983)

Le Interazioni Deboli hanno fatto scoprire le “famiglie”

forze

Interazioni Fondamentali

fusione nucleare

a che servono i neutrini ? “a scaldarci !”(in realtà non direttamente, ma nel senso che senza i non saremmo scaldati dal sole)

l’enorme energia sprigionata all’interno delle stelle ( e quindi anche dal sole ) non può provenire da reazioni chimiche.

proviene da reazioni di FUSIONE NUCLEARE ( Eddington , 1920 !)

ciclo p-p• protone• neutrone

e

p p d + e+

d p 3He

3He 3He 4He 2p

in definitiva p p 4He Luce e radiazioni e.m.

sole

sulla Terra ~ 1011 / cm2

accompagnano necessariamente i ,

la radiazione e.m. che ci illumina e scalda!

egualmente abbondanti ma invisibili

riscaldamento

perchè la radiazione e.m. (i.r., luce, u.v.) ci scalda , ma i no ?

rispostala radiazione e.m. interagisce con il nostro corpo e vi deposita la sua energia (calore)

i neutrini no, ci attraversano senza interagire:non depositano energia !

enigmi

e ora veniamo agli ENIGMI !

bassissima probabilità di interazione dei negli apparati sperimentali (“rivelatori”)

aspetti ancora misteriosi del

e,,

carica elettrica 0

momento angolare di “spin” 1 / 2

interazioni debole

massa ?

altre proprietà ?

Majorana) ?

enigma neutrino

L’enigma m e le sue implicazioni

m

FISICA

ASTROFISICA COSMOLOGIA

massa del neutrino

m> 0 ?

FISICA• Le odierne teorie pongono m 0 :

tanto piccola che per ora non se ne riescono a vedere gli effetti• Nessuna ragione fondamentale• Se m> 0 nuove frontiere della Fisica

ASTROFISICA• La “materia oscura” dell’universo è in parte spiegata da m= 0 , vista l’abbondanza di nell’universo ?

COSMOLOGIA• Continuerà l’espansione dell’universo iniziata con il “bing bang” ?

verso la Terra

misura della velocità per effetto Doppler

velo

cità

300

200

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

distanza da centro galassia

massa “visibile”Materia Oscura

Massa visibile solo 10% della massa totale !

Curva sperimentale rilevata

Materia oscura

La Materia Oscura

Materia “visibile”( emette radiazioni e.m. : i.r. , luce, u.v. , microonde, raggi x)

Fotoni “reliquie” del Big-Bang( cm3 a 2,7 °K - Arno e Penzias 1965 )

Neutrini “reliquie” del Big-Bang(pure stimati cm3)

E la materia oscura ?

• viene in parte da m > 0 ?• particelle elementari ora ignote ?• ?

N.B. m non richiede “l’invenzione” di nuovi oggetti ed è plausibile che sia

m > 0

Universo 1

Componenti noti dell’Universo

Legge di Hubble, 1929 :le stelle si allontanano da noi con una velocità crescente

all’aumentare della loro distanza

Universo 2

L’UNIVERSO IN ESPANSIONE

Big Bang

Il “Grande Scoppio” (Big Bang)

Dimensioni universo

tempoBig Bangoggi

Situazione limite

c

Grande Freddo < c

Grande Scontro

> c

la materia oscura influisce su densità c !

Einstein : Relatività Generale 1916, Relatività Generale e Cosmologia 1917. Friedmann 1922

oscillazioni

Alla ricerca di mIl metodo più sensibile è basato sulla ricerca di un effetto indotto da m

“oscillazioni di neutrino”

ricercate osservando

SCOMPARSA

flusso predetto - osservato

APPARIZIONE

in assenza di fondo anche 1 ev. basta

sensibilità e chiarezza

Difficoltà sperimentali: mai osservato

“scoprire”

osservare oscillazioni m

doppio problemadoppio interesse !!

Osc

X

Apparizione di in un fascio di

rivelazione del prodotto nelle interazioni

Chorus

CHORUS Cern Hybrid Oscillation Research apparatUS

L’apparato sperimentale è costituito da un bersaglio di emulsioni nucleari e da una serie di rivelatori elettronici, necessari per la localizzazione e per la ricostruzione cinematica dell’evento.

Apparato sperimentale

Il rivelatore CHORUS

La risposta dei vari rivelatori dell’apparato viene visualizzata attraverso un programma grafico. In particolare si tratta di un evento che presenta un nello stato finale. Sono inoltre mostrate alcune variabili cinematiche, come l’energia, ricostruite dal programma di analisi.

Evento

Un evento di CHORUS

Il sistema di tracciamento a fibre scintillanti predice la regione di emulsioni da analizzare con microscopi automatici gestiti da computer.

Emulsioni e tracker

Il “CUORE” di CHORUS

Localizzazione dell’evento

~ 100 micron

Immagine

Evento in emulsioni

10 cm 0,1 mm 100 micron

dimensioni

Per rendersi conto di quanto sono 100 micron

Ricostruzione delle tracce e del vertice di interazione con il New Track Selector (NTS)

analisi di immagini

Analisi automatica di immagini

L’elaborazione al computer è in grado di visualizzare le particelle generate nell’interazione (tracce), la loro direzione nei due strati di emulsioni sopra e sotto la base di plastica.

Evento 2

Evento in emulsioni ricreato in tre dimensioni dal calcolatore

• un bellissimo campo di ricerca

• esperimenti difficili e delicati

• tuttavia: dimensioni “umane”

• interessante per i giovani

• attività stimolante

conclusioni

… per concludere

LABORATORI LOCALI E INTERNAZIONALI (CERN)

FISICA

COSMOLOGIAASTROFISICA

UNA SFIDA PER I FISICI SPERIMENTALIUNA SFIDA PER I FISICI SPERIMENTALI

SFIDA SUL PIANO INTELLETTUALE NON SU QUELLO DELLA GRANDE IMPRESA

SFIDA SUL PIANO INTELLETTUALE NON SU QUELLO DELLA GRANDE IMPRESA

LAUREANDI - DOTTORANDILAUREANDI - DOTTORANDISIMBIOSI RICERCA-DIDATTICASIMBIOSI RICERCA-DIDATTICA

Fisico sperimentale