Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Viaggio al centro della Terra Viaggio al centro della Terra a cavallo dei neutrinia cavallo dei neutrini
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
@ Cosa sono i neutrini ?
@ Come e’ costituita la Terra?
@ A cosa e’ dovuto il calore all’interno della Terra?
@ Perche’ studiare i neutrini emessi dalla Terra?
@ Cosa abbiamo imparato finora?
Di cosa parlero’
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Facciamo un passo indietro: cosa sono le particelle elementari?
Sono i costituenti elementari della materia
Le particelle stabili che costituiscono la materia sono: Elettrone: costituente dell’atomo; obbedisce alle forze elettromagnetiche
Protone e Neutrone ( in verita’ il n vive in media :886,8 s): costituenti del nucleo; obbediscono alle forze nucleari forti Neutrino, avente carica 0, e massa molto piccola- esso e’ disaccoppiato dalla materia
Ma ci sono molte altre particelle instabili, che si trasformano cioe’ dopotempi molto piccoli ( da un miliardesimo di secondo a molto meno) inaltre particelle
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Ma come si studiano le particelle ?
Creando delle situazioni dinamiche si accelerano particelle stabili come il protone e si inviano contro altri protoni, o contro dei bersagli materiali.
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
p (1TeV) p (fermo)
€
t =10−13cm
3⋅1010cm /s≅ 3⋅10−24 s
€
P =1012 ⋅1.6 ⋅10−19J
3⋅10−24 s≅ 5 ⋅1016W ≈10000TW
Equivale a parecchie migliaia di centrali nucleari
Little Bang BIG BANG
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
SeparazioneRadiazione-Particelle (A)
Formazione dei nuclei con particellestabili- le particelle instabili prodottenel BB sono decadute (B)
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Fase A C.M.B. a 3 K; residuo fossile della radiazione separatasi nella fase A
Fase B Fondo di neutrini nell’universo: ~300/cm3; residuo fossile dei prodotti di decadimento delle particelle instabili prodotte nel BB
A C+D+E
F+G
D+H+I
particelle stabili =p,n,e-
L+M (stabili)
D+L+..
Ma p ,e-, n formano la materia I neutrini rimangono disaccoppiati
part. stabili
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
PROPRIETA’
• ha carica nulla• ha massa molto piccola• ha spin, cioe’ ruota su su stesso come una trottola,
girando in modo antiorario. Se esistesse un neutrino destrorso (non lo sappiamo ancora) sarebbe sterile• ha una bassissima probabilita’di interagire con altre particelle: puo’ attraversare l’Universo rimanendo indisturbato• come tutte le particelle esiste la sua antiparticella (antineutrino)
Quindi e’ una formidabile sonda per esplorare zone Quindi e’ una formidabile sonda per esplorare zone irraggiungibili: interno del Sole e della Terra, lontano irraggiungibili: interno del Sole e della Terra, lontano Universo, eccUniverso, ecc. .
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
@ I fotoni, prodotti all’interno del Sole, impiegano ca.100000 anni ad uscire dalla nostra stella, mentre i neutrini escono da essa in 2-3 secondi: quindi i neutrini danno informazioni sul funzionamento del Sole in tempo reale.
@ I neutrini sono I primi messaggeri a raggiungerci quando esplode una Supernova.
@ Come abbiamo gia’ detto, possono attraversare l’Universo rimanendo indisturbati.
@ Ma ugualmente attraversano la Terra senza essere perturbati
Esempio:
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Earth structure
Nocciolo interno -SOLIDO
•Dimensioni della Luna;• lega Fe – Ni ;• solido a causa dell’alta pressione,malgrado la temperatura di ~ 5700 K;
Nocciolo esterno-liquido
•Spessore 2260 Km- lega Fe-NI • liquido-•temperatura ~ 4100 – 5800 K;• geodynamo: Moto di liquido conduttivo;
D’’ layer: transizione mantello- nocciolo• spessore: ~200 km;• discontinuita’ sismica;
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Mantello inferiore
• alto rapporto Mg/Fe ; • T: 600 – 3700 K;• alta pressione: viscoso;• spessore:~2000 km
Zona di transizione
•400-650 km di spessore •Sede delle fessurazioni oceaniche;
Mantello superiore
Altamente viscoso, sul quale galleggiano le placche tettoniche
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
La crosta terrestre
• Crosta oceanica:• spessore ~ 10 km;•Sede delle fessurazioni oceaniche • Crosta continentale ;• spessore: 30 – 70 km ;• metamorfico,• Sede di rocce sedimentarie
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Come avere informazioni sull’interno della Terra?
Sismologia
Informazioni sulla densita’ e sulla fase:liquido o solido;ma non si ottengono informazioni sulla composizione chimica
P – onde longitudinaliS – onde trasversali
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Geochimica1) Misure dirette @carotaggi (max:12 km.) nella crosta continentale; meno profondi in quella oceanica @rocce portate dalla eruzioni vulcaniche @studio del mantello dalle fessurazioni oceaniche
2) Modelli geochimici @meteoriti @composizione del Sole
Bulk Silicate Earth (BSE)
Evoluzione del mantello dalla suacostituzione primordiale dopo laseparazione Fe-Ni, ma utilizzandoanche le misure dirette.
Calore terrestre
31-46 TW gradiente di temperatura nella crosta-gradiente nelle fessure oceaniche
19-46 TW stima dell’energia termica dovuta ai decadimenti radioattivi-georeattore
238U 206Pb + 8 + 8 e- + + 6 anti-neutrinos + 51.7 MeV232Th 208Pb + 6 + 4 e- + + 4 anti-neutrinos + 42.8 MeV40K 40Ca + e- + + 1 anti-neutrino + 1.32 MeV
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Vi sono nel mondo solo due rivelatori capaci di studiare i geoneutrini
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Zona del Gran Sasso
Misura del sedimento
Studio della crosta
(Engadina)
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Studio dei geoneutrini per sapere:
@- Qual’e’ la frazione di calore terrestre prodotto dai decadimenti radioattivi
@- Quanto calore radioattivo e’ prodotto nel mantello- differenziazione fra crosta continentale e crosta oceanica
@- C’e’ radioattivita’ anche nel nocciolo?
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
e pe+
MeV
n
Evisible = Te + 2*0.511 MeV =
= Tgeo- – 0.78 MeV
PROMPT SIGNALPROMPT SIGNAL
p
n
MeV
MeV
DELAYED SIGNALDELAYED SIGNAL
mean n-capture time on p200 s
Come si rivelano gli anti-neutrini
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Antineutrini da reattori.
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Studio delle caratteristiche dei reattori- “data base” e contatti diretti con IAEA e EdF
• Composizione del combustibile• Flusso di antineutrini• Spettro in energia• Potenza media mensile o settimanale• Distanza dal Gran Sasso• Probabilita’ di interazione dell’ antineutrino
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Simulazione di eventi falsi da parte della radioattivita’ Naturale:
€
neutroni prodotti da muoni cosmici
@ altissimo livello di purificazione
@ ottimo schermo delle rocce dai raggi cosmici- laboratorio underground
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Detector design and layout
Water Tank: and n shield water Ch
detector208 PMTs in water2100 m3
20 legs
Carbon steel plates
Scintillator:270 t PC+PPO in a 125 m thick nylon vessel
Stainless Steel Sphere:
2212 photomultipliers 1350 m3
Nylon vessels:Inner: 4.25 mOuter: 5.50 m
Design based on the principle of graded shielding
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Records in the radiopurity achieved by BorexinoMaterial Typical conc. of
the unpurifiedmaterials
Radiopurity levels in the Bxscintillator
14C scintillator 14C/12C<10-12
238U,232Th equiv. - Hall C dust- stainless. steel- nylon
~1 ppm ~1ppb~1ppt
Knat Hall C dust ~1 ppm
222Rn - external air.- air underground
~20 Bq/m3
~40-100 Bq/m3
85Kr39Ar
in N2 for stripping ~1.1 Bq/m3
~13 mBq/m3
- 222Rn- 238U,232Th equiv.
LNGS - Hall C water ~50 Bq/m3
~10-10 g/g
€
14C /12C ≅ 2 ⋅10−18
€
10−17 −10−18g /g
€
<10−14 g /g
€
<1 μBq /m3
€
~ 0.16 mBq /m3
~ 0.5 mBq /m3
€
~ 30 μBq /m3
~ 10−14 g /g
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
0,0000000000000000002 g di contaminante radioattivoa fronte di 1 g di materiale rivelante
Cioe’ un miliardesimo di un miliardesimo di materialee’ radioattivo
Emissione dalle rocce assorbite dalle 2100 tonnellate d’acqua, purificata anch’essa
Schermo ai raggi cosmici da 2500 m circa di roccia.
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Interno del Counting Test Facility
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Spettro aspettato teoricamente
Come si dovrebbeosservare nel rivelatore
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Simulazione con ilcomputer Risultato sperimentale
• Presa dati: Dec 2007 to Dec 2009; 537.2 giorni effettivi537.2 giorni effettivi
•21 anti-21 anti- candidati in totale candidati in totale
BOREXINO 2010
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
BSE
Max radiogenic
Min radiogenic
68%, 90% and 99.73% C.L.
Confronto con i modelli
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Kamland
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Moto conduttivo nel mantello- rete di esperimenti nel mondoMappa delle differenze di distribuzione di calore nel mantello
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
SNO+
Esperimenti futuri
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
ConclusioniConclusioni
@ E’ dimostrata l’esistenza dei geo-neutrini, antineutrini emessi nei decadimenti radioattivi all’interno della Terra
Essi provengono sia dalla Crosta sia dal Mantello
I decadimenti radioattivi sono la principale sorgente di calore terrestre; forse essi producono il 100% del calore terrestre.Per conoscere la percentuale esatta bisogna raccogliere piu’ dati (2-3 anni)
La dislocazione del calore all’interno del mantello, causa dei fenomeni vulcanici e tettonici, potrebbe essere ottenuta mediante un certo numero di esperimento, tipo Borexino, dislocati in vari punti sulla Terra ( 2 funzionanti e due in progetto- almeno 10 anni)
@
@
@