Il premio Nobel 2002:
nuovi modi per guardare il cielo
• Una presentazione preparata da Filippo Frontera (per la parte
riguardante i raggi X) e da Gianni Fiorentini (per la parte
riguardante i neutrini)
1
Il premio Nobel 2002:
nuovi modi per guardare il cielo
Riccardo Giacconi
“per contributi pioneristici
all’astrofisica,che hanno
condotto alla scoperta delle
sorgenti cosmiche di raggi X”
Ray Davis e Masatoshi Koshiba
“per contributi pioneristici
all’astrofisica, in particolare per la
rivelazione dei neutrini cosmici”2
C’e’ modo e modo di vedere:
la luce visibile
• Sorgente di radiazione
• Interazione
• Rivelatore (occhio)
3
C’e’ modo e modo di vedere:
i raggi X
• Se voglio vedere
all’interno uso
una radiazione
più penetrante
•ancora una radiazione e.m
•Rivelatore (lastra ....occhio)
4
C’e’ modo e modo di vedere:
il neutrino
• Radiazione diversa
• Il rivelatore e’ ancora
più complicato...
5
Carta di Identità del neutrino
• Particella, associata a un tipo di
radiazione
• Nascita: 1930
• Maternità/Paternità: Pauli Fermi
(Pontecorvo)
• Residenza: quasi ovunque
• Provenienza: stelle, reattori
nucleari, acceleratori di particelle...
• Segni particolari: Estremamente
elusiva (penetrante)
• Massa: “estremamente piccola”,
rispetto alle altre particelle
6
Underground
physics
Per rivelare una
radiazione elusiva,
penetrante, occorre
schermarsi dalle altre
radiazioni
7
Davis: un formidabile
esperimento di radiochimica
Sole n
Cl
cont.
•Davis cercava i prodotti delle
reazioni nucleari indotte dai neutrini
provenienti dal sole: n+ 37Cl -> 37Ar + e
(reazione di Pontecorvo).
•L’ Argon prodotto si accumula nel
rivelatore. Gli atomi di 37Ar sono
radioattivi e entro un mese si
trasformano in 37Cl:37Ar + e ->n+ 37Cl
•Occorre separare gli atomi di Ar dal
Cl e contarli, mediante il loro
decadimento.
8
Un ago in un pagliaio?
In 400 tonnellate di varechina Davis doveva
aspettarsi di produrre un atomo di Ar al
giorno, da individuarsi fra i circa 1031 atomi*)
di Cloro
Un pagliaio contiene circa 108 pagliuzze
(cento milioni).
E’ come cercare un ago in un pagliaio
grande come la terra.
9
*) 1031 =1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 0
La scoperta e il puzzle dei
neutrini solari
•Davis trovò un atomo di Ar ogni tre giorni, un
terzo di quelli attesi.
•Un risultato importante: la prima
osservazione dei neutrini provenienti dal Sole
•Un interrogativo importante: che succede ai
neutrini per strada?
•Il puzzle dei neutrini solari è stato
sostanzialmente risolto negli ultimi anni,
grazie ai risultati di Gallex al Gran Sasso, di
SNO in Canada e ai lavori del gruppo di
Koshiba. Si e’ormai convinti che due terzi dei
neutrini abbiano una metamorfosi per strada
(oscillazioni di Pontecorvo).
10
Koshiba: il primo telescopio a neutrini
•Davis non poteva dire da dove venivano i
neutrini.
•Koshiba pensò di realizzare un
“telescopio”rivelando gli elettroni che
vengono urtati dai neutrini
n+ e(fermo) -> n + e( in moto)
•L’elettrone viene emesso principalmente nella direzione
da cui proviene il neutrino
•Poiché la sua velocità è maggiore della velocità della luce
nell’acqua, emette luce “Cerenkov”, dalla cui distribuzione si
11
puo’risalire alla direzione dell’elettrone e a quella del neutrino
Kamiokande e SuperKamiokande
Una famiglia di rivelatori Cerenkov ad
acqua in una miniera delle Alpi
giapponesi.
Il più recente,
SK, contiene
20.000m3
d’acqua ed è
equipaggiato
con oltre
10.000 fototubi
12
Superkamiokande
13
I risultati
I) La conferma di Davis:
I neutrini vengono dal sole
ii) La rivelazione dei
neutrini
dalla Supernova SN1987a
iii) L’oscillazione dei
“neutrini atmosferici”
14
Il cuore del
rivelatore
Sono i fototubi sviluppati
appositamente dalla
Hamamatsu
Il MITI finanziò un progetto
di sviluppo tecnologico
congiunto della Hamamatsu e
dell’Università Metropolitana di
Tokio
Il Giappone ha oggi un premio
Nobel e l’industria leader mondiale della
produzione di fototubi.
50 cm
15
Koshiba e il Gran Sasso
Il laboratorio del silenzio
cosmico
Koshiba, membro del
Comitato Scientifico del Gran
Sasso, aveva suggerito di
installare un rivelatore
Cerenkov (SK) al Gran Sasso
e l’allora Direttore Bellotti
aveva compreso la validità
del progetto.
La frontiera della
radioattività zero
16
Bruno Pontecorvo
Tre grandi idee:
i)il sole come sorgente di
neutrini
ii) il metodo del Cl-Ar
iii)Le oscillazioni
(metamorfosi) dei neutrini
17
Uno sguardo al futuro
Nel 1940 Pontecorvo aveva applicato gli studi svolti nel
gruppo di Roma inventando il “neutron log”uno strumeno
ancora oggi usato per le prospezioni geologiche.
Adesso che abbiamo imparato a sufficienza sui neutrini,
dobbiamo cercare di imparare dai neutrini
18
La materia oscura nell’universo
•All’interno delle
galassie e fra le
galassie c'è della
materia (ed energia) che
non brilla, oscura.
•La “materia-energia”
oscura costituisce il
90% dell’Universo, ma
non sappiamo di che e’
fatta.
•La materia oscura potrebbe essere fatta di i neutrini
primordiali, se i neutrini hanno una piccola massa
[ m(n)=10-6m(e)]
19
I neutrini da supernovae
•Lo 0.1% dell’energia di
una supernova e’ in
radiazione visibile, e il
99.9% e’ trasportato da
neutrini
•Nel 1987, per la prima
volta sono stati rivelati
neutrini da SN
•I neutrini da SN saranno
lo strumento per lo studio
della struttura interna
20
I neutrini della Terra
•La terra e’ radioattiva
•Quanto e’ il contenuto di
elementi radioattivi all’interno
della terra?
•Rivelare (anti) neutrini prodotti
dall’interno terrestre e’ il modo
per misurare la “radioattività”
della terra.
•In questo modo potremo
comprendere il contributo
radiogenico al calore terrestre.
21
Kamland (Jap) e
Borexino (GS)
Progettati per rivelare neutrini dal sole e da reattori
22
avranno anche i primi segnali dei geo-neutrini.
Riccardo Giacconi
• Riccardo Giacconi, nato a
Genova nel 1931, laureato
a Milano nel 1954,
attualmente Presidente
della Associated
Universities Inc.,
Washinghton DC, USA
Motivazione: “for pioneering contributions to astrophysics,
which have led to the discovery of cosmic X-ray sources”
23
Come osservare i raggi X celesti
24
1962: scoperta della prima sorgente
celeste di raggi X
25
1969: il primo satellite per
astronomia X
• Il satellite Uhuru
(“libertà“ in lingua
Swahili) venne lanciato
dalla base italiana San
Marco in Kenia
26
Il cielo X scoperto con Uhuru
27
1979:lancio del satellite “Einstein”
28
Il Satellite Einstein
29
Le prime ottiche per raggi X
30
Le scoperte degli anni ‘70-’80
31
Informazioni dai raggi X provenienti dagli
oggetti celesti
• Diagnosi della
presenza di stelle di
neutroni e buchi neri in
sistemi binari.
• Rotazione delle stelle
di neutroni;
32
I resti di supernove in raggi X
Cas A
Crab Nebula
CXO images
33
Diagnosi della presenza di getti di materia
SS433
XTE J1550
CXO image
34
Il mondo extragalattico in raggi X
Quasar PKS 1127-145
CXO images
35
Ammasso di galassie nel Centauro
• A una distanza di
170 milioni di
anni luce.
• Il gas ha una
temperatura di
oltre 10 milioni di
gradi
CXO image
36
Il mistero dei lampi di raggi gamma (GRB)
• Scoperti nel
1972 con i
satelliti spia
americani Vela,
sono rimasti
misteriosi fino a
pochi anni fa.
37
Che cosa si sapeva/non si sapeva
fino al 1996 sui GRB
• Vengono da tutte le
direzioni.
• In media tre al
giorno colpiscono
la Terra
•Dove vengono prodotti: sono vicini? galattici? cosmologici?
•Qual’e’ l’origine?
38
BeppoSAX
il satellite italiano, con partecipazione olandese
39
28 febbraio1997:
SAX risolve l’enigma della distanza
BeppoSAX image
40
Oggi sappiamo molto sui GRB, ma...
molte questioni sono ancora da risolvere:
•Stiamo osservando delle esplosioni isotrope?
•Oppure si tratta di getti ben collimati che
puntano verso di noi?
41
INTEGRAL: il futuro è gia’ cominciato
Baikonur, 17 Ottobre 2002
Orbita fortemente ellittica, con perigeo a 10.000 Km,
e apogeo a circa 150.000 Km.
42
Il ruolo di Ferrara in INTEGRAL
• Partecipazione al progetto e
realizzazione di JEM-X
• Calibrazione di JEM-X
• Definizione del programma
osservativo di INTEGRAL
43
Oltre INTEGRAL
• Partecipazione a missione “Lobster” a bordo della
Stazione Spaziale
• Partecipazione a missione X cinese
44
• Sviluppo di ottiche per raggi X di alta
energia
• Grande facility per la calibrazione di
telescopi focalizzanti di raggi X e
gamma
45