neutrino
Ipotesi e scoperta dei neutrini
Postulati da Wolfang Pauli (1930 ) per salvaguardare la legge della
conservazione della energia
Definiti con nome di “neutrini” da Enrico Fermi (1934) che li
introduce
per interpretare il decadimento beta negativo
Antineutrini elettronici rivelati nel 1956
Esistono tre diversi neutrini ( e antineutrini) appartenenti ai Leptoni
elettronico 2.2 eV , muonico 170 KeV , tauonico 15.5 Mev
Fonte di molti neutrini :
stelle supernove collassanti
Reattori nucleari in attività :fissione di Uranio >
scorie radioattive
protone + elettrone > neutrone+neutrini
Neutrone > protone + elettrone + antineutrino
reazioni di fusione nel nucleo delle stelle, sole
Sono sensibili solo alla “interazione debole”
essendo privi di carica
elettrica e con massa infinitesima:
possono attraversare grandissime
quantità di materia senza interagire
e quindi senza essere rivelabili
Quando un nucleo radioattivo emette una particella alfa , si trasforma
in un altro nucleo più leggero: la differenza tra le due masse moltiplicata
per la velocità della luce al quadrato fornisce sempre la stessa energia
che si ritrova nella particella alfa emessa( massa + energia cinetica):
energia variabile con il variare del nucleo emittente
(M1 – M2 )*c^2=K1
(M1 – M2 )*c^2=K2
Nucleo emittente
Nucleo derivato
Particelle alfa con massa identica
ma diversa energia cinetica
nuclei identici emittenti elettroni mostrano che la differenza di massa
tra nucleo emittente e nucleo derivato moltiplicata per il quadrato della luce
(equivalente alla massa+energia dell’elettrone emesso), non risulta costante
ma presenta un insieme di valori (spettro continuo)
da un massimo a un minimo:
Per valori massimi si ritrova la equivalenza tra massa del nucleo emittente e
somma delle masse del nucleo derivato e dell’elettrone;
per valori energetici minori si riscontra un difetto di massa:
M1- M2 = Ee
M1- M2 > Ee
M1- M2 > Ee
M1
M2
Energia elettroni, con massa costante
Wolfang Pauli ( 1930) postula la esistenza di una particella, neutra, (senza
massa o infinitesima) che viene emessa insieme all’elettrone , portatrice
di una energia equivalente a quella mancante all’elettrone stesso
Elettroni con energia variabile
M1
M2
Neutrini con energia variabile
Scoperta del neutrone nel 1932; Enrico Fermi (1934) interpreta la
emissione di particelle beta (elettroni) come prodotto di un decadimento
di un neutrone del nucleo in un protone, elettrone, neutrino (antineutrino)
elettrone
neutrone
neutrino
protone
Nucleo radioattivo
Neutrone >>> protone + elettrone + antineutrino
L’atomo mantiene massa 3 e cambia numero atomico :da 1 a 2
Atomo iniziale : 2 neutroni e 1 protone : massa 3 e numero atomico 1
atomo finale :1 neutrone e 2 protoni: massa 3 2 numero atomico 2
90
30
muonici
Elettronici
prevedibili
tauonici
Elettronici
rivelati
Rivelatore di neutrini elettronici
Neutrini elettronici rilevati , circa 1/3 di quelli prevedibili:
diversa la reazione di produzione nel sole :fusione di idrogeno in elio
con creazione di energia e neutrini?
Trasformazione da elettronici in altro tipo ?”oscillazione”
possibile solo se hanno massa
Ipotesi sulla loro massa: hanno massa ? Per quanto infinitesima?
Per spiegare la mancanza di neutrini provenienti dal sole si ipotizza
la loro “oscillazione” , trasformazione da neutrini elettronici in altro
tipo: ciò è possibile solo se hanno massa, come ipotizzato dal fisico
Bruno Pontecorvo nel 1969.
Essendo privi di carica e con massa infinitesima, non interagiscono
praticamente con la materia attraversata
(interagiscono solo con interazione debole)
e quindi non sono rivelabili se non in misura
molto ridotta e con grande difficoltà:
necessari rivelatori di grandi dimensioni e osservazioni
prolungate nel tempo per avere alcune interazioni rivelatrici del passaggio
dei neutrini in funzione di fenomeni che avvengono
nell’incontro neutrini, antineutrini, particelle materiali varie
Neutrone decade in protone + elettrone + antineutrino
Antineutrino + protone > neutrone + positrone
Esperimento condotto nel 1956 a Savannah River che rivela la
esistenza dell’antineutrino sfruttando la reazione inversa a quella
di decadimento, usando antineutrini disponibili in grandi quantità
nelle reazioni di fissione nucleare interne al reattore
Nel rivelatore è presente H2O : l’idrogeno contiene un protone
quando un antineutrino viene catturato da un protone dell’idrogeno
si verifica la reazione che porta alla creazione di un neutrone e un positrone:
il positrone si annichila quasi immediatamente incontrando un elettrone
generando due fotoni con energia pari alla massa di ogni elettrone:0.5 Mev,
i due fotoni si allontano in senso opposto e vengono rivelati da scintillatori
che comunicano con fotocellule e segnalano l’evento e la sua energia
neutrone
positrone scintillatore
elettrone
antineutrino
protone
scintillatore
scintillatore
scintillatore
cadmio
Il neutrone viene catturato dal nucleo del Cadmio (CdCl2) presente con H2O
il nucleo emette 1-2 raggi gamma ( 9 Mev) rivelati da scintillatori
Il segnale è composto da due fotoni di energia uguale (0,5 MeV), seguiti da un
fotone di energia molto maggiore( 9 Mev) a breve distanza di tempo.
Tipi di rivelatori
I rivelatori al cloro consistono di serbatoi
riempiti di tetracloruro di carbonio (CCl4). In
questi rivelatori un neutrino converte un
atomo di cloro in uno di argon
rivelatori al gallio sono simili a quelli al cloro
dal punto di vista del funzionamento, ma più
sensibili ai neutrini a bassa energia.
I rivelatori ad acqua pura come il SuperKamiokande contengono una grande massa
d'acqua, circondata da rivelatori di luce detti
"tubi fotomoltiplicatori”
il neutrino trasferisce parte della sua energia ad
un elettrone, che in seguito all'urto si muove più
velocemente di quanto faccia la luce in acqua ,
si genera una emissione ottica (in luce visibile),
conosciuta come radiazione Cherenkov che può
essere rivelata dai fotomoltiplicatori.
I rivelatori ad acqua pesante usano tre tipi di
reazione per rivelare i neutrini.
La prima è la stessa dei rivelatori ad acqua pura.
La seconda implica la collisione del neutrino con
un atomo di deuterio
e conseguente rilascio di un elettrone.
Nella terza il neutrino spezza in due l'atomo di
deuterio.
I risultati di queste reazioni vengono rivelati dai
"tubi fotomoltiplicatori".
I neutrini prodotti fin dal big bang sono
diffusi in tutto l’universo:la loro massa
pur infinitesima potrebbe in parte
contribuire alla “massa
mancante,oscura”
necessaria per spiegare il
comportamento
del cosmo ?
Importanti per informazioni trasmesse su reazioni che avvengono
nel nucleo del sole perché arrivano in superficie rapidamente e
si propagano nello spazio alla velocità della luce:le radiazioni
invece prodotte nel nucleo giungono in superficie impiegando molto
tempo per continue interazioni con la materia da attraversare
e modificano il loro spettro originario