Paolo Strolin
IL NEUTRINO
Gennaio 2005
• Il neutrino nel mondo delle particelle:
pre-istoria e storia
• A che servono i neutrini ?
• Enigmi
Fisica
Astrofisica
Cosmologia
• Come si “vedono e studiano”:
due linee di ricerca sperimentale, come esempi
Per sapere di più
Versione estesa del seminario
www.na.infn.it  Anno Mondiale della Fisica
 Per le Scuole  Seminari
Oppure
 Attività di ricerca
 Fisica Sperimentale delle Particelle
 OPERA/CHORUS
 Educational Materials
Un buon sito sul neutrino
wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/neut.html
Becquerel, 1896
Scoperta della radioattività naturale:
emissione di “raggi” dall’uranio
(quasi per caso)
Lastre fotografiche
al buio registrano
una misteriosa
“radiazione”
Una Croce al Merito
dà “ombra”
1897 M. Curie: natura atomica della “radioattività”
a
g
b
e
Elementi
“radioattivi”
(Uranio, …)
1899 Rutherford: raggi differenti a , b , g
n
1903 Rutherford e Soddy:
fenomeno associato a una
trasmutazione di elementi chimici
1909 Bucherer: i raggi b hanno lo stesso q/m
degli elettroni: sono elettroni
1930 Ipotesi di Pauli sull’esistenza del n :
nel decadimento b assieme all’elettrone è
emessa una particella “invisibile” (neutra),
poi chiamata “neutrino” da Fermi
Le basi dell’ipotesi di Pauli sull’esistenza del “neutrino”
“Spettro b” nel
decadimento di un
nucleo in uno più
leggero
eventi
Edisponibile = DMnuclei c2
Eelettrone
se emesso da
solo, l’elettrone
prende sempre
tutta l’energia
disponibile
dove è andata?
Eneutrino
(ma non è così)
Energia dell’elettrone
mn >0
 Ipotesi di Pauli:
energia mancante rubata da una particella invisibile (neutra):
Eelettrone può al limite raggiungere Edisponibile

n
mn = 0
Emissione dell’elettrone nel decadimento b:
una apparente violazione del “nulla si crea, nulla si distrugge”
Ma secondo Einstein (1905)
energia
materia
E dopo la scoperta dell’anti-materia
Equazione di Dirac (1928); scoperta del positrone (Anderson, 1932)
g
ee+
w-
en
elettrone
positrone
(anti-elettrone)
energia
elettrone
anti-neutrino
materia
+ anti-materia
Includendo nel bilancio energia , materia e anti-materia di nuovo
“nulla si crea e nulla si distrugge”
e abbiamo ...
Abbiamo così parlato della preistoria del n
(come per l’uomo, in assenza di scrittura il racconto viene da altro)
Rouffignac (Francia)
Lascaux (France)
(era geologica: Pleistocene)
(~ 15.000 A.C.)
Grotta dei Cento Mammuth
Uomo and “uro” ( bue selvaggio di specie estinta)
“Osservazione diretta” del neutrino
tramite le sue rarissime interazioni (“deboli”)
(Pontecorvo 1946; Reines e Cowan 1956, 26 anni dopo l’ipotesi di Pauli)
rivelatore di particelle
di grande massa
reattore
nucleare
n
intenso flusso di n
p
e+
n + p  e+ + n
n neutro, p rincula pochissimo:
nessuno dei due viene visto
La “firma” del neutrino
nulla di visibile entra, esce un positrone
Con l’osservazione della
“scrittura” del neutrino
finisce la sua preistoria!
Iscrizione fenicia su foglia d’oro
trovata a Pyrgi (Lazio)
Le Particelle Elementari* un secolo dopo Becquerel
tre “famiglie”
Quarks
u
d
c
s
t
b
Leptoni
ne
e
nm
m
nt
t
tre neutrini
Il neutrino:
• è la particella elementare ancora più misteriosa
• ha un ruolo importantissimo anche in Astrofisica e in Cosmologia
* Sono “elementari” in senso assoluto? Emergerà un giorno una struttura più profonda della materia?
A che
servono
i neutrini?
Senza neutrini, il
Sole non darebbe
calore !
Non ci saremmo
noi, non ci sarebbe
frutta sulla Terra.
Infatti ….
Michelangelo Merisi, detto il Caravaggio (1573-1610)
Cestino con frutta (1590?), Galleria Ambrosiana (Milano)
Il Sole e le stelle sono reattori a fusione nucleare
Troppa energia viene irradiata, non può venire da reazioni chimiche (Eddington , 1920)
“ciclo p-p”

+e+ +
n
p+p
 d + e+ +

+
g
d+p

3He
+
+ 3He 
4He
+ 2p
4He
+
3He

p+p
con
protone

n
g
n + g + ...
neutrone
Il neutrino è un ingrediente necessario!
senza il neutrino
Sole e stelle non splenderebbero
luce e calore
I neutrini (n)
accompagnano
la radiazione
elettro-magnetica (g)
che ci illumina e
scalda!
Egualmente
abbondanti
ma invisibili
Sulla Terra
~ 1011 n / cm2 sec !
Perché siamo sensibili solo alla radiazione
elettro-magnetica (I.R., luce, U.V., g) ?
La radiazione elettro-magnetica interagisce con il nostro
corpo e vi deposita la sua energia (calore)
I neutrini ci attraversano senza interagire:
non hanno alcun effetto!
radiazione
elettro-magnetica
n
n
I neutrini attraversano perfino
la Terra senza interagire!
E ora veniamo
agli enigmi!
Juan Miró (1893-1988)
Il bel volatile decifra l’incognito a
una coppia di innamorati
Museum of Modern Art (New York)
Le proprietà fisiche del neutrino
carica elettrica
0
momento angolare di “spin”
½
interazione con la materia
“debole”
massa
piccolissima ma > 0
“mescolamento”
parzialmente conosciuto: ?
violazione della “simmetria CP”
??
n  n (Dirac)
o
n = n (Majorana)
altre proprietà
??
??
Bassissima probabilità di interazione
negli apparati sperimentali (“rivelatori”)
Esperimenti difficili
Ancora molti misteri sul neutrino
recenti
scoperte
con molto
lavoro ancora
da fare per una
maggiore
comprensione
Il neutrino e le sue proprietà sono
un punto nodale nella ricerca
Fisica
n
Astrofisica
Cosmologia
Fisica Delle Particelle Elementari
Il neutrino come “apri-pista”
mn > 0 : il primo indizio sulla fisica nella “terra incognita”
oltre il cosiddetto Modello Standard, …
Astrofisica
I neutrini come “messaggeri di conoscenza”
Fisica del Sole e delle stelle
Collassi stellari e Supernove
Origine dei raggi cosmici dalla nostra o da lontane galassie, …
COSMOLOGIA
I neutrini come “ingredienti essenziali”
Neutrini “reliquie” del Big Bang
(permeano l’universo come le micro-onde della Radiazione Cosmica di Fondo)
Materia Oscura ed evoluzione dell’Universo
Lo vedremo in relazione alle linee di ricerca portate come esempio
Evidenza della “Materia Oscura” da galassie in rotazione
Effetto Doppler:
la frequenza dipende
dalla velocità rispetto a noi
Radiazione elettromagnetica
(luce, … )

Velocità delle stelle
Velocità di rotazione
Sunflower galaxy

attesa dalla massa “visibile”
dati sperimentali
(velocità, e quindi massa,
molto più grandi)
Materia Oscura!
massa “visibile”
Distribuzione delle
velocità di rotazione
delle stelle nelle
galassie
Distanza dal centro galattico
Materia Oscura ~ 10 x materia visibile!
Una misura di quanto vi è ancora da scoprire
Determina l’evoluzione dell’Universo
Materia nota dell’Universo
Materia “visibile”
emette radiazioni elettromagnetiche: onde radio, micro-onde, I.R., luce, U.V., raggi X
Radiazione elettro-magnetica “reliquia” del Big-Bang
Gamow 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-Bang
altrettanto abbondante
Che cosa potrebbe essere Materia Oscura?
• in parte da mn > 0 (visto l’enorme numero di neutrini reliquie del Big-Bang)
• particelle elementari tuttora ignote?
• corpi macroscopici ?
•?
E ora un poco di “magia”
Parte in viaggio →
Pietro
Nel viaggio magicamente si “scompone” in Giuseppe e Giovanni
di cui sia Pietro e che Paolo sono“miscugli”:
Pietro è più Giuseppe che Giovanni, Paolo più Giovanni che Giuseppe
All’arrivo del viaggio fatto assieme
Giuseppe e Giovanni si “ricompongono” di nuovo in →
Giuseppe
Giovanni
Pietro
Pietro
… ma se Giuseppe e Giovanni viaggiano diversamente
c’è una certa “probabilità” che Giovanni predomini e
all’arrivo si ricompongano non in Pietro ma in →
Giuseppe
Giovanni
Paolo
Per i neutrini è sempre magia
secondo le leggi della Meccanica Quantistica!
(e in Meccanica Quantistica si parla sempre in termini di probabilità)
Le “oscillazioni” di neutrino:
il metodo più sensibile per studiare la massa del neutrino
Un raro e singolare effetto di Meccanica Quantistica che
si verifica se mn > 0
Nel loro cammino, i neutrini possono cambiare identità!
(come vista dalle loro interazioni in un apparato sperimentale)
L’acceleratore di
particelle produce
Giuseppe
nm
Pietro
Giovanni
un miscuglio di
n 1, n 2 e n 3
se mn > 0 , n1, n2 e n3
viaggio
si propagano
diversamente e
diverso
il loro miscuglio cambia
L’esperimento
talvolta vede
Giuseppe
Giovanni
nt
Paolo
un miscuglio
diverso da nm
M.C. Escher, Metamorphose III (1967-68), parte di una xilografia di 0.2 m x 7 m
Come i fisici “vedono e studiano” i neutrini
Come esempio due linee di ricerca sperimentale:
• La ricerca di “oscillazioni di neutrino” nm-nt
• L’osservazione di neutrini cosmici di altissima energia
Ricerca di “apparizione” di nt in un puro fascio di nm
• Il nt interagisce nell’apparato sperimentale
e produce la sua particella associata, il leptone t
• Il leptone t vive ~ 10-13 s e decade entro solo ~ 1 mm
• Essendo i neutrini invisibili, il decadimento è identificato da una
corta traccia apparentemente spezzata,
→ ESPERIMENTO CHORUS al CERN di Ginevra
su un fascio di neutrini prodotti dall’acceleratore di particelle
nm
oscillazione?
nt
t
“gomito”
-
m
nt
-
nm
t
Formica del
falegname
Per la ricerca del raro gomito di
decadimento a scala < 1 mm
e su una grande massa
10 cm
0,1 mm
(un “ago nel pagliaio” di quasi un milione di
interazioni di nm )
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 nm vista con risoluzione
spaziale micrometrica in emulsione nucleare
Microscopio per analisi
automatica veloce di immagini
in tre dimensioni
Interamente controllato da computer
Applicazioni anche in altri campi: es. biofisica
Immagine “tomografica”
digitizzata in tre dimensioni
Terza dimensione:
spessore emulsioni
Telecamera
veloce
Ottica
Emulsioni
Ottica
~ 0.003 mm di
profondità di fuoco
mettendo a
fuoco
diverse
profondità

emulsione
nucleare
Telecamera
“fette ottiche”
Supporto mobile
Rivelatori Elettronici
CHORUS
Una “macchina fotografica” da 800 kg per il nt
Corredata da rivelatori elettronici
(fibre ottiche scintillanti
e altre tecniche)
 Definiscono l’istante
dell’interazione
 Localizzano gli eventi nelle
emulsioni
m
 Contribuiscono alla
ricostruzione dell’evento
calorimetro
h
Bersaglio
per i neutrini
spettrometro
per i muoni
spettromettro
per gli adroni
n
piani di veto
800 kg
di emulsioni nucleari
per vedere il nt in 3D
Verso il futuro nella ricerca delle oscillazioni nm-nt
Da esperimenti con
• neutrini solari
• neutrini prodotti da interazioni di raggi cosmici con l’atmosfera
La massa del neutrino risulta molto più piccola
di quella indagata da CHORUS
Per vedere un effetto
bisogna “far viaggiare più a lungo” i neutrini
(la tecnica di CHORUS resta valida)
Quindi tra qualche anno … esperimenti con n dal CERN
al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (INFN)
nm
nt ?
I neutrini: messaggeri dal Cosmo e dalle stelle
I neutrini cosmici
viaggiano su distanze enormi
Senza assorbimento (a differenza di luce, raggi g , … )
Non deflessi da campi magnetici (a differenza delle particelle cariche)
i protoni sono
deflessi o assorbiti
la radiazione elettromagnetica è
assorbita
solo i neutrini possono
giungere a noi dalle
sorgenti più lontane
I neutrini prodotti nelle reazioni nucleari all’interno del Sole
emergono da esso
e ci forniscono informazioni di “Astrofisica Solare”
I neutrini dal Cosmo e dalle stelle
Eccezionali
messaggeri di conoscenza
↓
“Astrofisica con Neutrini”
Premio Nobel 2002 a Davis e Koshiba per avervi dato inizio
Che ci insegnano i neutrini provenienti dal cosmo?
“Reliquie” del Big-Bang
Energia
Neutrini Solari
Che successe negli istanti iniziali?
Saranno un giorno osservati?
Come funzionano le stelle?
Massa del neutrino
Vari esperimenti, anche al Gran Sasso
Neutrini da Supernove
Quali sono i meccanismi?
Osservati una sola volta (SN 1987A)
Neutrini ad altissima energia
Quale è l’origine dei Raggi Cosmici?
Osservazioni ancora alla prima infanzia
Seguiremo la traccia dei
neutrini ad altissima energia
Possibili sorgenti di raggi cosmici e n di altissima energia:
giganteschi acceleratori cosmici
Sorgenti galattiche
 Residui di Supernove
Sistemi binari 
attorno a una Pulsar
(stella di neutroni in rapida rotazione)
o a un Buco Nero
Sorgenti
extra-galattiche
Buco nero
gas e
polveri
jet di
raggi
cosmici
Nuclei Galattici
Attivi
Nube
di gas
(quasars)
disco di
accrezione
Come si possono “vedere”
i neutrini cosmici ad altissima energia
Cielo degli antipodi
I neutrini attraversano la terra
I neutrini (muonici)
interagiscono e generano muoni
Un apparato sperimentale rivela
muoni di altissima energia
La rivelazione dei muoni prodotti dai neutrini
“Occhi elettronici”
La rarità dei neutrini di
altissima energia richiede un
rivelatore di grandissima massa
La rivelazione di luce Čerenkov
nell’acqua del mare
è la tecnica più economica
(Foto-Moltiplicatori)
guardano verso il basso
e rivelano la luce
generata dai muoni
I muoni
generano luce
per effetto
Čerenkov
mare
muone
… approfittando delle
tecnologie subacquee sviluppate
principalmente per il petrolio
interazione con la materia
neutrino
Il rivelatore ANTARES
0.1 km3 , in preparazione a -2400 m nel mare di Tolone, Francia
buoy
optical
modules
anchor
robot
submarine
File di Moduli Ottici
Un Modulo Ottico:
ancorate al fondo e tenute tese da galleggianti
(notare il piccolo sottomarino da prospezione)
tre “occhi elettronici” entro sfere
di vetro resistenti alla pressione
Il rivelatore ANTARES, schematicamente
Laboratorio
vista dall’alto
Modulo Ottico
con 3 “occhi”
13 file, ~1000 “occhi”
bussola,
clinometro
fila di “occhi”
~300 m
P
elettronica
scatola di giunzione
cavi
sonda acustica
2400 m
Idrofono
galleggiante
ancora
cavo elettroottico (~40 km)
Il progetto NEMO
un rivelatore da 1 km3 al largo di Capo Passero (Sicilia)
muone
atmosferico
3500 m
muone prodotto
dal neutrino
neutrino
Il rivelatore ICECUBE nella profondità dei ghiacci dell’Antartico userà una
simile tecnica e avrà una simile massa
Assieme esploreranno il Cosmo nei due emisferi
… e per concludere, il neutrino offre
Fisica
n
•
Astrofisica
→ un bellissimo campo di ricerca
Cosmologia
• Esperimenti difficili e delicati → sfida per fisici sperimentali
• … di dimensioni “umane”
→ soddisfazione individuale
• Sviluppo di nuove tecnologie → una attività formativa
• Lab. locali e internazionali → esperienze stimolanti
• Simbiosi ricerca-didattica
→ Lauree e Dottorati