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Il premio Nobel 2002:Il premio Nobel 2002:nuovi modi per guardare il cielonuovi modi per guardare il cielo

• Una presentazione preparata da Filippo FronteraFilippo Frontera (per la parte riguardante i raggi X) e da Gianni FiorentiniGianni Fiorentini (per la parte riguardante i neutrini)

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Il premio Nobel 2002:Il premio Nobel 2002:nuovi modi per guardare il cielonuovi 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”

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C’e’ modo e modo di vedere:C’e’ modo e modo di vedere:la luce visibilela luce visibile

• Sorgente di radiazione• Interazione• Rivelatore (occhio)

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C’e’ modo e modo di vedere:C’e’ modo e modo di vedere:i raggi Xi raggi X

• Se voglio vedere all’interno uso una radiazione più penetrantepiù penetrante

•ancora una radiazione e.m•Rivelatore (lastra ....occhio)

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C’e’ modo e modo di vedere:C’e’ modo e modo di vedere:il neutrinoil neutrino

• Radiazione diversa • Il rivelatore e’ ancora

più complicato...

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Carta di Identità del neutrinoCarta 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 Estremamente

elusivaelusiva (penetrante)• Massa: “estremamente piccolaestremamente piccola”,

rispetto alle altre particelle

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Underground Underground physicsphysics

Per rivelare una radiazione elusiva, penetrante, occorre occorre schermarsischermarsi dalle altre radiazioni

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Davis: un formidabile Davis: un formidabile esperimento di radiochimicaesperimento di radiochimica•Davis cercava i prodotti delle reazioni nucleari indotte dai neutrini provenienti dal sole: + + 3737Cl -> Cl -> 3737Ar + eAr + 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:3737Ar + e ->Ar + e ->+ + 3737ClCl •Occorre separare gli atomi di Ar dal Cl e contarli, mediante il loro decadimento.

Sole Cl cont.

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Un ago in un pagliaio?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.

*) 1031 =1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 0

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La scoperta e il puzzle deiLa scoperta e il puzzle deineutrini solarineutrini 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 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).

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Koshiba: il primo telescopio a neutriniKoshiba: 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

+ e(fermo) -> + 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 puo’risalire alla direzione dell’elettrone e a quella del neutrino

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Kamiokande e SuperKamiokandeKamiokande 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

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SuperkamiokandeSuperkamiokande

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I risultatiI risultati

I) La conferma di Davis:I neutrini vengono dal sole

ii) La rivelazione dei neutrinidalla Supernova SN1987a

iii) L’oscillazione dei “neutrini atmosferici”

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Il cuore del Il cuore del rivelatorerivelatore

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 cm50 cm

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Il laboratorio del silenzio cosmico

La frontiera della radioattività zero

Koshiba e il Gran SassoKoshiba e il Gran Sasso

Koshiba, membro del Comitato Scientifico del Gran Sasso, aveva suggerito diinstallare un rivelatore Cerenkov (SK) al Gran Sasso e l’allora Direttore Bellotti aveva compreso la validità del progetto.

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Bruno PontecorvoBruno Pontecorvo

Tre grandi idee:i)il sole come sorgente di neutriniii) il metodo del Cl-Ariii)Le oscillazioni (metamorfosi) dei neutrini

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Uno sguardo al futuroUno 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

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La materia oscura nell’universoLa 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” La “materia-energia” oscuraoscura costituisce il 90% dell’Universo, ma non sappiamo di che e’ fatta.•La materia oscura potrebbe essere fatta di i neutrini La materia oscura potrebbe essere fatta di i neutrini primordiali, primordiali, se i neutrini hanno una piccola massase i neutrini hanno una piccola massa

[ m()=10-6m(e)]

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I neutrini da supernovaeI 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 I neutrini da SN saranno lo strumento per lo studio lo strumento per lo studio della struttura internadella struttura interna

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I neutrini della TerraI neutrini della Terra•La terra e’ radioattiva•Quanto e’ il contenuto di elementi radioattivi all’interno della terra?•Rivelare (anti) neutrini prodotti neutrini prodotti dall’interno terrestredall’interno terrestre e’ ilil modo per misurare la “radioattività” della terra.•In questo modo potremo comprendere il contributo radiogenico al calore terrestre.

22Progettati per rivelare neutrini dal sole e da reattoriavranno anche i primi segnali dei geo-neutrini.

Kamland (Jap) e Borexino (GS)Kamland (Jap) e Borexino (GS)

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Riccardo GiacconiRiccardo 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”

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Come osservare i raggi X celestiCome osservare i raggi X celesti

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1962: scoperta della prima sorgente 1962: scoperta della prima sorgente celeste di raggi Xceleste di raggi X

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1969: il primo satellite per astronomia 1969: il primo satellite per astronomia XX

• Il satellite Uhuru (“libertà“ in lingua Swahili) venne lanciato dalla base italiana San Marco in Kenia

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Il cielo X scoperto con UhuruIl cielo X scoperto con Uhuru

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1979:lancio del satellite “Einstein”1979:lancio del satellite “Einstein”

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Il Satellite EinsteinIl Satellite Einstein

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Le prime ottiche per raggi XLe prime ottiche per raggi X

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Le scoperte degli anni ‘70-’80Le scoperte degli anni ‘70-’80

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Informazioni dai raggi X provenienti dagli Informazioni dai raggi X provenienti dagli oggetti celestioggetti celesti

• Diagnosi della presenza di stelle di neutroni e buchi neri in sistemi binari.

• Rotazione delle stelle di neutroni;

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I resti di supernove in raggi XI resti di supernove in raggi X

Cas A Crab Nebula

CXO images

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Diagnosi della presenza di getti di materiaDiagnosi della presenza di getti di materia

SS433 XTE J1550

CXO image

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Il mondo extragalattico in raggi XIl mondo extragalattico in raggi X

Quasar PKS 1127-145

CXO images

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Ammasso di galassie nel CentauroAmmasso 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

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Il mistero dei lampi di raggi gamma (GRB)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.

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Che cosa si sapeva/non si sapeva Che cosa si sapeva/non si sapeva fino al 1996 sui GRBfino 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?

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BeppoSAX BeppoSAX il satellite italiano, con partecipazione olandeseil satellite italiano, con partecipazione olandese

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28 febbraio1997: 28 febbraio1997: SAX risolve l’enigma della distanzaSAX risolve l’enigma della distanza

BeppoSAX image

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Oggi sappiamo molto sui GRB, ma...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?

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INTEGRAL: il futuro è gia’ cominciatoINTEGRAL: 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.

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Il ruolo di Ferrara in INTEGRALIl ruolo di Ferrara in INTEGRAL• Partecipazione al progetto e

realizzazione di JEM-X• Calibrazione di JEM-X• Definizione del programma

osservativo di INTEGRAL

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Oltre INTEGRALOltre INTEGRAL• Partecipazione a missione “Lobster” a bordo della

Stazione Spaziale• Partecipazione a missione X cinese

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• Sviluppo di ottiche per raggi X di alta energia

• Grande facility per la calibrazione di telescopi focalizzanti di raggi X e gamma