presentazione
Conferenza di Fisica
IL NEUTRINO
del Prof. Paolo Strolin
( con la collaborazione artistica di Laura Strolin )
•Preistoria
•Storia
•A che serve ?
Fisica
•Enigmi Astrofisica
Cosmologia
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)
radiazioni
BECQUEREL 1896
SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA’ NATURALE
a
g
b
(+)
-
e
Elementi radioattivi (*)
U, Ra, ..
e si scoprì poi
che assieme a
(+)
-
e
viene emesso
(*) Copyright M. Curie
(+)
-
n
energia - materia 1
Nulla si crea e
nulla si distrugge
Einstein 1905
E=
energia
2
mc
materia
energia - materia 2
Più precisamente:
esempi:
{
materia
antimateria
ENERGIA
e elettrone
g
e+ positrone (anti-elettrone)
e elettrone
w-
n
anti-neutrino
includendo nel bilancio energia, materia, anti-materia
si ritrova
“nulla si crea e nulla si distrugge”
Decadimento b
Decadimento b nucleare
e
eventi
60Co
60Ni
+ e- + n
n
n
p + e- + n
( F. Perrin 1933 )
d
u + e- + n
(Teoria dei Quark 1964)
Energia
disponibile =
Dm nuclei c2
IPOTESI DI PAULI
n porta via energia
mn~ 0
energia e-
sezione d’urto
Per le particelle elementari (come n)
“sezione d’urto” s
invece che “dimensioni” (es. pr2 di una pallottola)
Diametro Atomo ~
10-8 cm
n
s ~10-38 cm2
Diametro Nucleo
~ 10-13 cm
Il Neutrino ha una probabilità piccolissima di interagire con la materia
“Interazione debole”
Fermi
TENTATIVO DI UNA TEORIA DEI RAGGI b
di Enrico Fermi (1934)
Sunto - Si propone una teoria quantitativa dell’emissione dei raggi b 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 b 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 b, 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 b, si incontrano, come è noto due
difficoltà principali. La prima dipende dal fatto che i raggi b 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 b 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 b vengano emessi
simultaneamente un elettrone, che si osserva come raggio b, 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.
e-
a
eg
Interazione ELETTROMAGNETICA
p
n
GF
Interazione DEBOLE
GF << a (probabilità)
e-
n
scoperta
e qua finisce la preistoria
... scoperta (*) del n
(Reines e Cowan 1956)
Reattore
Nucleare
n
p
n
e+
Rivelatore
n + p --> n + e+
(*) Osservazione di neutrini che interagiscono (debolmente !!) con la
materia di un “rivelatore” di particelle.
particelle
dopo tante affascinanti ricerche ..
Olimpo delle attuali (*)
PARTICELLE ELEMENTARI
FAMIGLIE
Quarks
Leptoni
-
-
-
() () ()
n
n
n
(e ) (m ) (z )
e
-
m
-
z
-
non ancora
osservato!
n.b. - ora differenziamo ne , nm , nZ
di questo olimpo il n è un membro SPECIALE ED IMPORTANTISSIMO
(*) - Lo saranno ancora considerate tutte domani, o si scoprirà che alcune in realtà sono strutture composte
Interazioni Fondamentali
mediatori
intensità relativa
Forte (Nucleare)
g
1
Elettromagnetica
g
Debole
Gravitazionale
Quarks
Leptoni - Elettroni carichi
Neutrini

-2
0
W Z
?
10
-6
10
10-40
Forte ( + e.m. + debole)
E.m. ( + debole)
debole
I n hanno permesso di isolare e capire le interazioni deboli
--> W+ e Z0 (Rubbia 1983)
fusione nucleare
a che servono i neutrini ? “a scaldarci !”
(in realtà non direttamente, ma nel senso che senza i n 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
e+
p + p --> d + e+ + n
n
g
ciclo p-p
d + p --> 3He + g
3He
in definitiva
( Eddington , 1920)
+ 3He --> 4He + 2p
p + p --> 4He + n + g
Luce e radiazioni e.m.
sole
sulla Terra ~
1011 n / cm2 !
accompagnano
necessariamente i g,
la radiazione e.m.
che ci illumina e scalda!
egualmente abbondanti
ma invisibili
riscaldamento
perchè
la radiazione e.m. (luce, u.v.) ci scalda e i n no ?
risposta
perché la 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 !
g
n
enigmi
e ora veniamo agli ENIGMI !
bassissima probabilità di interazione dei n
negli apparati sperimentali (“rivelatori”)
aspetti ancora misteriosi del n
ne,m,z
carica elettrica
0
momento angolare di spin
1/2
interazioni
debole
massa
?
altre proprietà
?
n  n
?
enigma neutrino
L’enigma
mn e le sue implicazioni
FISICA
mn
ASTROFISICA
COSMOLOGIA
massa del neutrino
mn > 0 ?
FISICA
• Le odierne teorie pongono mn = 0 perché tanto
piccola che non se ne vedono ancora gli effetti.
• Nessuna ragione fondamentale.
• Se mn > 0 nuove frontiere della Fisica
ASTROFISICA
• La “materia oscura” dell’universo è in parte spiegata da
mn = 0, vista l’abbondanza di n nell’universo ?
COSMOLOGIA
• Continuerà l’espansione dell’universo iniziata con il
“bing bang” ?
La Massa Oscura
verso la Terra
misura della frequenza per effetto doppler
frequenza
300
Curva sperimentale rilevata
200
100
massa invisibile
massa visibile
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Massa Visibile = 10% Massa Totale
100
R
Componenti noti dell’Universo
Materia “visibile”
( emette radiazioni e.m., luce, raggi x, ... )
Fotoni “reliquie” del Big-Bang
(~ 400/cm3 a 2,7 °K - Arno e Penzias 1965)
Neutrini “reliquie” del Big-Bang
(stimati a ~ 400/cm3 a 2,7 °K)
E la materia oscura ?
• viene da mn > 0 ?
• particelle elementari ora ignote ?
•?
N.B. mn non richiede
“l’invenzione”
di
nuovi oggetti ed è
plausibile che sia
mn > 0
L’UNIVERSO IN ESPANSIONE
(Legge di Hubble, 1929)
Big Bang
Il “Grande Scoppio” (Big Bang)
R
Grande Freddo
r < rc
Situazione limite
rc
r > rc
Big Bang
Grande Scontro t
oggi
la materia oscura influisce su r < > rc !
ricerca
Alla ricerca di mn
Il metodo più sensibile è basato sulla ricerca di un effetto indotto da mn:
le “oscillazioni di neutrino”
esperimenti:
GALLEX
(Gran Sasso)
Osservazione dei neutrini prodotti
dalla fusione nucleare nel sole
CHORUS
(Cern)
Osservazione dei neutrini prodotti
mediante un acceleratore di particelle