A caccia di neutrini
Vedere la Scienza – Festival
Spazio Oberdan 26 Marzo – 1 Aprile 2007 Milano
Lino Miramonti
Università degli Studi di Milano
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
L’ ”invenzione” del neutrino
Alla fine degli anni ‘20 del secolo scorso si era notato
che durante una determinata trasformazione
radioattiva, che avveniva con emissione di elettroni
(decadimento β), una parte dell’energia in gioco
scompariva.
Non conservazione dell’energia e del momento
Nel 1930, il fisico austriaco Wolfgang Pauli, per
risolvere questo problema, ipotizzò l’esistenza di una
particella che avrebbe dovuto essere emessa insieme
all’elettrone: questa nuova particella avrebbe
contenuto l’energia mancante al pareggio del bilancio.
La nuova particella avrebbe dovuto possedere
proprietà estreme come quella di non avere massa (o
quasi), di non interagire con la materia ordinaria (o
quasi) e di essere elettricamente neutra.
La prima teoria del decadimento beta fu quella di
Enrico Fermi nel 1933
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Osservazione del neutrino da parte
di Cowan e Reines (1956)
La scoperta del neutrino avvenne più di 20 anni
dopo la sua nascita 'teorica‘ posizionando un
rivelatore nelle vicinanze di un reattore nucleare
reazione inversa del decadimento beta
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Il Modello Standard
I neutrini, contrariamente ai leptoni carichi e i quarks sono soggetti alla sola interazione
debole. Per questo motivo la probabilità che i neutrini interagiscono con la materia è così
bassa che occorrono “spessori” di centinaia di anni luce di acqua per fermarli.
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L’oscillazione dei neutrini
Ad ogni leptone carico è associato un neutrino:
Un neutrino di un dato “sapore” interagendo con la
materia produrrà il corrispondente leptone carico.
I neutrini sono soggetti al fenomeno delle oscillazioni, cioè possiedono la proprietà di cambiare la
propria natura e passare da un sapore all'altro:
(per esempio e ->  oppure  -> ).
La probabilità di un neutrino di oscillare dipende dalla sua energia e dalla distanza percorsa.
Affinché l'oscillazione possa avvenire occorre che i neutrini abbiano una massa diversa da zero
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Da dove arrivano i neutrini?
I neutrini sono “creati” nei processi in cui sono coinvolte le interazioni nucleari deboli:
Neutrini Solari. Una grande quantità di neutrini elettronici viene prodotta
all'interno delle stelle e quindi anche dalla “nostra” stella: il Sole. I neutrini
vengono emessi nel nucleo del Sole durante le reazioni di fusione
termonucleare responsabili della produzione dell'energia, e fuoriescono
giungendo fino a noi. Sulla terra arrivano 60 miliardi di neutrini al cm2 al
secondo.
Geoneutrini. Neutrini e antineutrini sono emessi dalla radioattività naturale
presente nella crosta e nel mantello terrestre.
Neutrini Atmosferici. Quando i raggi cosmici penetrano nell'atmosfera,
collidono con gli atomi e innescano delle reazioni durante le quali vengono
prodotte molte particelle secondarie tra cui neutrini e antineutrini.
Neutrini da Supernovae. Le supernovae emettono una enorme quantità di
energia sotto forma di luce, materia, e soprattutto neutrini.
Neutrini Fossili. Si ritiene che pochi istanti dopo la nascita dell‘Universo
(Big-Bang) siano stati prodotti un enorme numero di neutrini e antineutrini di
ogni sapore, che sono sopravvissuti fino ad oggi (circa 300 per cm3).
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……….neutrini prodotti dall’uomo
Neutrini da acceleratori di particelle. Facendo collidere i
protoni accelerati da un acceleratore di particelle si riescono a
produrre neutrini e/o antineutrini di diversi sapori
Neutrini da reattori nucleari. Durante le reazioni di fissione
nucleare che avvengono all'interno di un reattore nucleare per la
produzione di energia vengono prodotti antineutrini elettronici.
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Astronomia neutrinica
Grazie alla loro piccolissima interazione con la materia, la rivelazione
dei neutrini permette di studiare la parte interna dei corpi celesti. (Ad
esempio la rivelazione dei neutrini solari ha permesso di “fotografare” il cuore del
sole convalidando i modelli di funzionamento delle stelle).
Inoltre, il fatto che i neutrino non hanno una carica elettrica, non sono
deviati dal campo magnetico terrestre e galattico, permettendo in
questo modo di identificare la provenienza (direzionalità) della
sorgente che li hanno emessi.
Nascita dell’astronomia neutrinica
Lino Miramonti - Università degli Studi di Milano e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
“radiografia” del sole
Astronomia neutrinica
Il prezzo che si deve pagare per poter studiare i neutrini è
l’enorme massa di interazione degli apparati di rivelazione.
Inoltre il flebile segnale indotto da queste particelle obbliga i
fisici a porre i rivelatori al riparo dalla radiazione cosmica.
Enormi apparati sperimentali, dell’ordine delle centinaia o
migliaia di tonnellate sono collocati in laboratori sotterranei
sovrastati da qualche migliaio di metri di roccia.
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Telescopi a neutrini
Per studiare neutrini di altissima energia occorrono
masse di rivelazione ancora più importanti. In questo
caso si sfrutta l’interazione dei neutrini in grossi volumi
di acqua o di ghiaccio creando un reticolo
tridimensionale di sensori in grado di ricostruire le
tracce dei neutrini.
Il tutto deve essere posizionato in profondità al riparo
dalla luce solare
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Il fascio dal CERN al Gran Sasso
ll progetto CNGS consiste nell’invio di un
fascio di neutrini muonici dal CERN di
Ginevra ai Laboratori del Gran Sasso che si
trovano a 730 km di distanza.
Al CERN i neutrini vengono prodotti facendo
collidere contro un bersaglio un fascio di
protoni opportunamente accelerati. In questo
modo si producono particelle chiamate pioni e
kaoni che decadendo generando neutrini
muonici.
Ai LNGS, l’esperimento OPERA ed ICARUS
riveleranno i neutrini dopo pochi millisecondi
dalla loro creazione.
OPERA rivelerà in modo diretto l’apparizione
del leptone tau creato dai neutrini tauonici che
si sono “trasformati” durante il percorso a
partire dai neutroni muonici.
Lino Miramonti - Università degli Studi di Milano e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
conclusione
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Sono passati ¾ di secolo da quando i neutrini sono stati ipotizzati per “salvare” alcuni principi
fondamentali della fisica
Si è dovuto attendere ¼ di secolo per rivelarli sperimentalmente
Solo dopo ½ secolo dalla loro “invenzione” si sono rivelati i neutrini emessi dal sole
Oggi sappiamo che ne esistono di tre tipi e che si trasformano da un tipo all’altro.
Malgrado gli enormi sforzi il neutrino non ha ancora svelato tutte le sue proprietà …….. sappiamo che
deve avere una massa ma non è ancora stata misurata così come non ne conosciamo la sua natura
(potrebbe coincidere con la propria antiparticella)….
……… la caccia continua
Lino Miramonti - Università degli Studi di Milano e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare