Neutrini nel Cosmo
Marco G. Giammarchi
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Milano
AEC and LHEP dell’Università di Bern
• Introduzione
• Le Astronomie
• Particelle e Neutrini
• Sorgenti di Neutrini
• Neutrini dal Cosmo
12/21/2015
Planetario di Milano
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1. Introduzione
• Introduzione
• Le Astronomie
Astronomia (ἀστρονομία) secondo la
definizione: lo studio e la misura dei
corpi celesti (gli astri).
• Particelle e Neutrini
• Sorgenti di Neutrini
• Neutrini dal Cosmo
Tradizionalmente eseguito con metodi ottici. Le stelle si guardano !
O con metodi in ogni caso basati su radiazione elettromagnetica (visibile o no)
Ma ora, che abbiamo imparato a conoscere le particelle subnucleari…
Possiamo fare nuove astronomie, studiando particelle che vengono dagli astri !
e in particolare i neutrini !
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Particelle elementari ?
Ossigeno
Materia: composta da costituenti fondamentali:
Molecole, Atomi, Nuclei
Molecole: costituenti della materia
Ipotizzate per comprendere la Chimica
Leggi di Dalton e di Avogadro (1803-1811)
Idrogeno
Idrogeno
1010 m
A loro volta le Molecole sono composte da Atomi
Atomo = Nucleo, Elettroni
L’Elettrone: una particella
davvero elementare
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A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da:
I quark (costituenti un
protone o un neutrone)
sono particelle elementari
quark
quark
PROTONE
quark
1010 m
1014 m
Le particelle “elementari” sono quelle che
costituiscono tutte le altre e che non hanno
una loro struttura interna.
Sono i mattoni costruttivi dell’Universo
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Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni
Sono elementari al meglio di 10-18 m
Materia ordinaria
Hanno spin e carica ben definiti
Costituiscono la
materia in
condizioni ordinarie
M
a
s
s
a
Costituiscono le
particelle instabili
Decadono in particelle stabili
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Interazioni tra Particelle elementari
Interazioni Gravitazionali
Interazioni Elettromagnetiche
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Interazioni Nucleari Forti
Interazioni Nucleari Deboli
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Un esempio semplice:
l’atomo di deuterio
p  (u, u, d )
n  (u , d , d )
Interazioni
elettromagnetiche
Interazioni forti
10-15 m
Quark:
Cariche frazionarie
Spin semi-intero
10-10 m
Quark, elettroni e fotoni sono i Costituenti Fondamentali dell’Atomo
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Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con
acceleratori di particelle.
Ricetta:
• prendere particelle cariche
• accelerarle con sistemi
elettrici e magnetici
(acceleratori)
• farle urtare tra loro
Tunnel di LHC, CERN (Ginevra)
Nei grandi laboratori sistemi
complessi di acceleratori portano
particelle a energie elevatissime
Negli urti tra queste particelle, altre
particelle vengono prodotte. Massa
si trasforma in energia e viceversa
Planetario Milano - 20/11/2012
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Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori:
CMS al CERN di Ginevra
Sistemi complessi composti da
rivelatori specializzati
ATLAS al CERN di Ginevra
Planetario Milano - 20/11/2012
CDF al Fermilab (Chicago)
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2. Le Astronomie
• Introduzione
• Le Astronomie
Diversi tipi di Astronomie :
• Particelle e Neutrini
• Sorgenti di Neutrini
• Neutrini dal Cosmo
 Astronomia Ottica
 Astronomia Infrarossa
quella tradizionale
 Astronomia a microonde
Sono astronomie che usano lo
stesso tipo di «messaggero»
 Radioastronomia
 Astronomia X
 Astronomia Gamma
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Le astronomia con fotoni, radiazione elettromagnetica
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E  h
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Astronomia ottica (esempio)
L’Astronomia dei grandi telescopi ottici
(anche nello spazio, come Hubble)
Keck
Riflettori da 3 m Keck a
Mauna Kea (Hawaii)
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Astronomia infrarossa
(esempio)
La scoperta della
Radiazione Infrarossa
(William Herschel,1800)
Immagine infrarossa
della Nebula Carina
osservata dalla Wide
Field Camera 3 dello
Hubble Telescope.
Lo spettro infrarosso è
fortemente assorbito
dall’atmosfera, rendendo
spesso necessaria la
rivelazione nello spazio.
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Astronomia con le
microonde
(esempio)
La radiazione cosmica di fondo
è una delle prove del Modello
del Big Bang
Planck
Mappa della
radiazione cosmica
di fondo ottenuta dal
satellite Planck
dopo la rimozione
dei contributi dovuti
a sorgenti locali e
dell'anisotropia di
dipolo.
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Radioastronomia
(esempio)
1930: prima rivelazione di
radiazione radio dalla Via Lattea
Planck
Sistema interferometrico VLA, New Mexico
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M87 nell’ottico
e nel Radio
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Astronomia X
(esempio)
1962: prima scoperta di
radiazione X proveniente da
sorgenti cosmiche (Riccardo
Giacconi)
Planck
Molto utile per studiare gli
oggetti altamente energetici
dell’Universo
L’osservazione di uno stesso
oggetto astronomico in diverse
lunghezze d’onda fornisce una
incommensurabile ricchezza di
informazioni
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Astronomia Gamma
A rigore, si tratta sempre di
astronomia con fotoni.
Stavolta le energie dei fotoni
(> 100 keV) in gioco sono tali
da richiedere tecniche di
rivelazione che sono tipiche
della fisica nucleare.
Studio di oggetti astrofisici ad energie estreme : Supernovae, Hypernovae,
Pulsars, Blazars, Gamma Ray Bursts. Anche ricerche di Materia Oscura.
Nello spazio:
• INTEGRAL,
• Fermi Gamma Ray Space Telescope
• AGILE (un satellite italiano, Agenzia Spaziale Italiana, Istituto Nazionale di
Astrofisica, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)
Fermi Gamma Space Telescope : astronomia gamma fino a circa 200 GeV
E’ una astronomia già ora: vi sono sorgenti gamma note nel Cosmo !
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Il centro della Galassia visto dal Fermi Gamma Ray Space Telescope
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Il cielo a energie oltre 100 MeV
visto da EGRET sul Compton
Gamma Ray Observatory (2000)
Il cielo a energie oltre 1 GeV visto
dal Fermi Gamma Ray Space
Telescope (2011)
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3. Particelle e Neutrini
• Introduzione
• Le Astronomie
Il neutrino: una particella particolare
• Particelle e Neutrini
• Sorgenti di Neutrini
• Neutrini dal Cosmo
Sono (quasi) privi di massa
Sono privi di carica elettrica
Non hanno interazioni nucleari forti
Compaiono solo in processi
nucleari deboli (decadimento beta)
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I neutrini e il Decadimento Beta
…diverse modalità di decadimento beta, un
fenomeno classico della radioattività naturale
Anche: decadimento beta inverso :
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4. Sorgenti di Neutrini
• Introduzione
• Le Astronomie
• Particelle e Neutrini
Sorgenti stazionarie di neutrini sono :
1) Radioattività naturale (raggi beta e neutrini
associati). Dal punto di vista astronomico questa
situazione si può realizzare in un PIANETA
• Sorgenti di Neutrini
• Neutrini dal Cosmo
n  p + e- + e
2) Reazioni di fusione che coinvolgono decadimenti
beta inversi o reazioni simili. Questa situazione
può aversi in una STELLA
p + p  d+ e+ + e
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Reazioni nucleari nel Sole: il ciclo pp
99,77%
p + p  d+ e+ + e
84,7%
~210-5 %
d + p  3He +
13,78%
7Be
0,23%
p + e - + p  d + e
3He
13,8%
+ 4He 7Be + 
+ e-  7Li + e
3He+3He+2p
7Li
+ p ->+
7Be
8B
0,02%
+ p  8B + 
 8Be*+ e+ +e 3
++
He+p+e
e
2
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Il caso del Sole
P  3.846 1026 W
Produzione di energia : al centro del Sole.
Energia, fotoni, neutrini
Energia associata ai fotoni: 200 mila anni di tempo per uscire dal Sole !
Energia associata ai neutrini ?
I neutrini escono dal Sole in 2 secondi !
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Principio di rivelazione dei neutrini da sorgenti astronomiche
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Be  e   7Li   e
Eν = 862 keV (monocromatico)
ΦSSM = 4.8 · 109 ν s-1 cm2
νe
νx
Spettro d’elettrone
 x  e    x  e  ( x  e,  , )
Sezione d’urto  10-44 cm2 (@ 1 MeV)
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La misura dei neutrini solari più precisa al mondo: Esperimento Borexino ai
Laboratori Nazionali del Gran Sasso
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Il caso della Terra
Produzione di energia : decadimenti radioattivi.
Elementi racdioattivi Uranio, Torio, Potassio
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La misura dei geoneutrini: Esperimento Borexino ai
Laboratori Nazionali del Gran Sasso
e  p  e  n

Decadimento beta inverso
Reattori Nucleari
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Struttura rivelatore Borexino
Scintillator:
270 t PC+PPO in a 150 m
thick nylon vessel
Nylon vessels:
Inner: 4.25 m
Outer: 5.50 m
Borexino detector at LNGS
Stainless Steel Sphere:
2212 photomultipliers
1350 m3
Water Tank:
 and n shield
 water Č detector
208 PMTs in water
2100 m3
20 legs
Carbon steel plates
Design based on the
principle of graded
shielding
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Interno del rivelatore Borexino al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso
11 m
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Rivelazione di neutrini (esempio: Laboratorio Gran Sasso)
I neutrini sono particelle elementari
Nel caso dei Neutrini Solari,
raggiungono la Terra in 8 minuti
rivelabili per mezzo di urti nucleari

con altre particelle
Ad esempio: diffusione elastica
sugli elettroni del mezzo
  e v  e

e
e
Gli elettroni (carichi!) lasciano
un segnale rivelabile
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6. Neutrini dal Cosmo
• Introduzione
L’Universo è una sorgente di particelle fin dai
suoi primi istanti di vita (Big Bang)
• Le Astronomie
Continua ad esserlo per via degli oggetti ad
alta energia che lo compongono (AGN, Buchi
Neri, Stelle a Neutroni, GRB…)
• Particelle e Neutrini
• Sorgenti di Neutrini
• Neutrini dal Cosmo
Uno dei più semplici acceleratori cosmici : una
pulsar (stella di neutroni rotante)
Acceleratore di particelle
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Pulsar
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La ricerca di neutrini da
sorgenti cosmiche :
ANTARES al largo della
Costa Azzurra.


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…e la risposta di questi rivelatore è una
questione «planetaria» (qui Superkamiokande,
in una miniera giapponese)
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La ricerca di neutrini da sorgenti cosmiche : ICECUBE al
Polo Sud.
Rivelatore costituito da sensori di luce
distribuiti a grande profondità nel ghiaccio
antartico

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ICECUBE : identificazione di Neutrini dal Cosmo !
"Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,"
IceCube Collaboration: M.G. Aartsen et al. Science 342, 1242856 (2013). DOI:
10.1126/science.1242856
I primi 28 neutrini cosmici che segnano l’inizio di una nuova «astronomia»
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Il grande vantaggio dei neutrini come «puntatori cosmici» :
A causa della loro scarsa propensione a interagire con la materia, possono
penetrare regioni dense dello spazio.
A causa della loro neutralità elettrica possono propagarsi senza essere deviati dai
campi magnetici della nostra galassia (ed extragalattici).
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Riassumendo (terzultima trasparenza):
Quali (e quante) Astronomie per studiare il Cosmo ?!
 Astronomia con fotoni
Nella sua maturità. Ma con sempre grandi
margini di miglioramento (anche se fosse
“solo” tecnologico. Ma non lo sarà mai).
 Raggi Gamma
Iniziata e nella sua infanzia/adolescenza.
Identificate molte sorgenti gamma.
 Raggi Cosmici
In fase di studio. Deve ancora nascere.
 Neutrini
Appena nata. Auguri!
 Onde Gravitazionali
In fase di studio. Deve ancora nascere.
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Riassumendo (penultima trasparenza):
La storia termica dell’Universo
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Per concludere: uno sguardo al Cosmo intero
Le nuove astronomie come radiazioni fossili dell’Universo primordiale:
 CMB (primi 300,000 anni di storia universale)
 Neutrini (primi 10 secondi di storia universale)
 Onde Gravitazionali (primi 10-36 secondi di storia universale)
Grazie per la vostra attenzione
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