titolo
IL NEUTRINO
Paolo Strolin
( con la collaborazione artistica e informatica di Laura Strolin e Catello Ingenito )
•Preistoria
•Storia
•A che serve ?
•Enigmi
Bibliografia
Fisica
Astrofisica
Cosmologia
• 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
g
a
b
e-
Elementi radioattivi (*)
Uranio, Radio, ..
e si scoprì poi
che assieme a
eviene emesso
(* )
Copyright Marie Curie
n
energia - materia 1
Nulla si crea
nulla si distrugge
apparentemente, ma :
Einstein 1905
E=
energia
2
mc
materia
energia - materia 2
Più precisamente:
{
materia
anti-materia
ENERGIA
esempi:
e elettrone
g
e+ positrone (anti-elettrone)
e elettrone
w-
n
anti-neutrino
includendo nel bilancio energia, materia e anti-materia
si ritrova
“nulla si crea e nulla si distrugge”
(* )
(* )
Antimateria : Dirac 1928 , Anderson (e+) 1932
Neutrino e antineutrino
E così abbiamo :
Decadimento b
Decadimento b nucleare
e
60Co
60Ni
+ e- + n
n
p + e- + n
( F. Perrin 1933 )
d
u + e- + n
(Teoria dei Quarks 1964)
eventi
n
IPOTESI DI PAULI (1930)
Energia di e
E disponibile
( Dmnuclei c2 )
• Ee  Edisp , quindi n che
porta via energia e mn~ 0
• “ladro” invisibile perchè
elettricamente neutro
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
n
GF
Interazione DEBOLE
GF << a (sono probabilità)
p
en
scoperta
e qua finisce la preistoria ...
(*)
scoperta del n
(Reines e Cowan 1956)
Reattore
Nucleare
n
p
n
e+
Rivelatore
n+p

e+ + n
 n invisibile , p fermo quindi pure invisibile
(* )
Osservazione di neutrini che interagiscono (debolmente !!) con la
materia in un “rivelatore” di particelle : la “scrittura” dei neutrini !
particelle
dopo tante affascinanti ricerche ..
Olimpo delle attuali (*)
PARTICELLE ELEMENTARI
FAMIGLIE
-
-
-
(-) ( ) (-)
n
n
n
(e ) (m ) (t )
Quarks
e
-
Leptoni
m
-
t
-
non ancora
osservato!
n.b. - ora differenziamo ne , nm , nt
di questo olimpo il
(*)
n è un membro
SPECIALE ED IMPORTANTISSIMO
Saranno considerate elementari un domani, o si scoprirà che alcune in realtà sono strutture composte ?
forze
Interazioni Fondamentali
mediatori
intensità relativa
Forte (Nucleare)
g
1
Elettromagnetica
g
10-2
10-6
10-40
Debole
Gravitazionale
W  Z0
?
Quarks
Forte ( + e.m. + debole)
Leptoni - Elettroni carichi
Neutrini
E.m. ( + debole)
debole
I n hanno permesso di isolare e capire le Interazioni Deboli
 W+ e Z0 (Rubbia 1983)
Le Interazioni Deboli hanno fatto scoprire le “famiglie”
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+
n
ciclo p-p
• protone
• neutrone
p + p  d + e+ + n
g
d+p 
3He
in definitiva
p+p 
( Eddington , 1920 !)
4He
+n+g
3He
+ 3He 
+g
4He
+ 2p
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. (i.r., luce, u.v.) ci scalda , ma i n no ?
la radiazione e.m. interagisce con il nostro
corpo e vi deposita la sua energia (calore)
risposta
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,t
carica elettrica
0
momento angolare di “spin”
1/2
interazioni
debole
massa
?
altre proprietà
?
n  n
(Majorana)
?
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 :
tanto piccola che per ora non se ne riescono a vedere 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” ?
Materia oscura
La Materia Oscura
verso la Terra
misura della velocità per effetto Doppler
velocità
300
Curva sperimentale rilevata
200
100
Materia Oscura
massa “visibile”
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
distanza da centro galassia
Massa visibile solo 10% della massa totale !
Universo 1
Componenti noti dell’Universo
Materia “visibile”
( emette radiazioni e.m. : i.r. , luce, u.v. , microonde, raggi x)
Fotoni “reliquie” del Big-Bang
( ~ 400/cm3 a 2,7 °K - Arno e Penzias 1965 )
Neutrini “reliquie” del Big-Bang
(pure stimati ~ 400/cm3)
E la materia oscura ?
• viene in parte da mn > 0 ?
• particelle elementari ora ignote ?
•?
N.B. mn non richiede
“l’invenzione” di
nuovi oggetti ed è
plausibile che sia
mn > 0
Universo 2
L’UNIVERSO IN ESPANSIONE
Legge di Hubble, 1929 :
le stelle si allontanano da noi con una velocità crescente
all’aumentare della loro distanza
Big Bang
Il “Grande Scoppio” (Big Bang)
Dimensioni universo
Grande Freddo
r < rc
Situazione limite
rc
r > rc
Big Bang
Grande Scontro
oggi
tempo
la materia oscura influisce su densità r  rc !
Einstein : Relatività Generale 1916, Relatività Generale e Cosmologia 1917. Friedmann 1922
oscillazioni
Alla ricerca di mn
Il metodo più sensibile è basato sulla ricerca di un effetto indotto da mn :
“oscillazioni di neutrino”
ricercate osservando
SCOMPARSA
APPARIZIONE
flusso predetto - osservato
in assenza di fondo anche 1 ev. basta
 sensibilità e chiarezza
Difficoltà sperimentali: nt mai osservato
“scoprire” nt
osservare oscillazioni  mn
doppio problema
doppio interesse !!
Chorus
CHORUS
Cern Hybrid Oscillation Research apparatUS
Apparizione di nt in un fascio di nm
rivelazione del t prodotto nelle interazioni
X
nm
Osc
nt
t
nt
m
nm
Apparato sperimentale
Il rivelatore CHORUS
L’apparato sperimentale è costituito da un bersaglio di emulsioni nucleari e da una serie di
rivelatori elettronici, necessari per la localizzazione e per la ricostruzione cinematica dell’evento.
Evento
Un evento di CHORUS
La risposta dei vari rivelatori dell’apparato viene visualizzata attraverso un programma grafico. In
particolare si tratta di un evento che presenta un m nello stato finale. Sono inoltre mostrate alcune variabili
cinematiche, come l’energia, ricostruite dal programma di analisi.
Emulsioni e tracker
Il “CUORE” di CHORUS
Localizzazione dell’evento
Il sistema di tracciamento a fibre scintillanti predice la regione di emulsioni da analizzare con microscopi
automatici gestiti da computer.
Immagine
Evento in emulsioni
~ 100 micron
dimensioni
Per rendersi conto di quanto sono 100 micron
10 cm
0,1 mm = 100 micron
analisi di
immagini
Analisi automatica di immagini
Ricostruzione delle tracce e del vertice di interazione con il
New Track Selector (NTS)
Evento 2
Evento in emulsioni ricreato in tre
dimensioni dal calcolatore
L’elaborazione al computer è in grado di visualizzare le particelle generate nell’interazione
(tracce), la loro direzione nei due strati di emulsioni sopra e sotto la base di plastica.
conclusioni
… per concludere
FISICA
• un bellissimo campo di ricerca
• esperimenti difficili e delicati
• tuttavia: dimensioni “umane”
ASTROFISICA
COSMOLOGIA
UNA SFIDA PER I FISICI
SPERIMENTALI
SFIDA SUL PIANO INTELLETTUALE
NON SU QUELLO DELLA GRANDE
IMPRESA
• interessante per i giovani
SIMBIOSI RICERCA-DIDATTICA
LAUREANDI - DOTTORANDI
• attività stimolante
LABORATORI LOCALI E INTERNAZIONALI (CERN)
Fisico sperimentale