IL NEUTRINO

• Il neutrino nel mondo delleparticelle: pre-istoria e storia

• A che servono i neutrini ?

• Enigmi

• Come si “vedono” i neutrini,e per quali scopi:esperimenti, come esempi

FisicaAstrofisicaCosmologia

Paolo StrolinOttobre 2006

Disegni di Laura Strolin

Per saperne di più

Seminari su particelle elementari

www.na.infn.it → Anno Mondiale della Fisica→ Per le Scuole → Seminari→ Particelle Elementari e Raggi Cosmici

Un buon sito sul neutrino

wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/neut.html

Becquerel, 1896Radioattività naturale:

misteriosi “raggi” emessi dall’uranio(scoperta quasi per caso)

Lastre fotograficheal buio registrano una misteriosa “radiazione”

Una Croce al Meritodà “ombra”

e

1909 Bucherer: i raggi ββββ sonoelettroni

1899 Rutherford: raggi differenti α α α α , ββββ , γγγγ

1903Rutherford e Soddy:fenomeno associato a unatrasmutazione di elementi chimici

αααα γγγγ ββββ

Elementi“radioattivi”

(Uranio, …) 1930 Ipotesi di Pauli:nel decadimento ββββ, assieme all’elettrone è emessauna particella invisibile (neutra)poi chiamata “neutrino” da Fermi

νννν

“ Tentativo di una teoria dei raggi ββββ”Enrico Fermi (1934)

Sunto -Si propone una teoria quantitativa dell’emissione dei raggi β 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 β con un procedimentosimile a quello 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 β, e le si confrontano con i dati sperimentali.

Interazione Debole

con probabilità proporzionale a GF2

(molto più piccola che per interazioni e.m.)

InterazioneElettro-Magnetica

p

e-nGF

νννν

e-

e-

γγγγ

“Osservazione diretta” del neutrinotramite le sue rarissime interazioni (“deboli”)

(Pontecorvo 1946; Reines e Cowan 1956, 26 anni dopo l’ipotesi di Pauli)

La “firma” del neutrinonulla di visibile entra, esce un positrone

rivelatore di particelledi grande massa

reattorenucleare p

n

e+

νννν + p → e+ + nn neutro, p quasi a riposo: nessuno dei due viene visto

intensoflusso di ν

Le Particelle Elementari un secolo dopo Becquerel

Il neutrinoLa particella più misteriosa

Importantissimo per Fisica, Astrofisica e Cosmologia

Sono “elementari” in senso assoluto? Emergerà una più profonda struttura della materia?

tre “famiglie”

Quarksbs

cdu t

tre neutriniLeptoni

ττττννννµµµµµµµµ

ννννe

eννννττττ

Le Interazioni Fondamentali

Quarks Forte (+ e.m. + Debole)

e- , µµµµ- , ττττ- e.m.( + Debole)

Neutrini Debole

… agiscono su

Interazioni puramente deboli dei neutrini↓

Prima conferma sperimentale dell’Unificazione “Elettro-Debole” (CERN 1973)poi coronata dall’osservazione di W± e Z0 (CERN 1983)

negli anni ’70 Unificazione

Elettro-Debole

Mediatori Intensità relativa

Forte (nucleare) gluoni 1Elettro-Magnetica γγγγ 10-2

Debole W±, Zo 10-6

Gravitazionale ? 10-40

A che servono

i neutrini?

Michelangelo Merisi, detto il Caravaggio (1573-1610)Cestino con frutta (1590?), Galleria Ambrosiana (Milano)

Senza neutrini, il Sole nondarebbe

calore !

Non ci saremmo noi, non ci sarebbe frutta sulla Terra.

Infatti ….

Il Sole e le stelle sono reattori a fusione nucleareL’enorme energia irradiata non può venire da reazioni chimiche (Eddington , 1920)

luce e calore

p ++++ p →→→→ d + e+ ++++ νννν

d ++++ p →→→→ 3He ++++ γγγγ

3He ++++ 3He →→→→ 4He + + + + 2p

p ++++ p →→→→ 4He ++++ νννν + γγγγ + ...+ ...+ ...+ ...

“Ciclo p-p”

+e++++ + + + + νννν

+ + + + γγγγ

→

→

→

neutroneprotonecon

Senza il neutrinoSole e stelle non splenderebbero

Juan Miró (1893-1988)

Il bel volatile decifra l’incognito a una coppia di innamorati

Museum of Modern Art(New York)

E ora veniamo agli enigmi!

Bassissima probabilitàdi interazione

↓

Esperimenti difficili:

ancora molti misteri

Il neutrino e le sue proprietà sono un “punto nodale” nella ricerca

Fisica

Astrofisica Cosmologia

νννν

Astrofisicaneutrini come “messaggeri cosmici”

Fisica del Sole e delle stelleCollassi stellari e Supernove

Sorgenti remote di raggi cosmici ( “Astronomia con neutrini” )

Cosmologianeutrini come “primi attori”

Neutrini “reliquie” del Big Bang(permeano l’universo come le micro-onde della Radiazione Cosmica di Fondo)

Materia Oscura ed evoluzione dell’UniversoIl mistero dell’apparente assenza di antimateria nell’Universo

Fisica Delle Particelle Elementarineutrini come “pionieri”

mν > 0 : scoperta di nuova fisica oltre le attuali teorie (“Modello Standard”)

Fisica, Astrofisica e Cosmologia

Le proprietà fisiche del neutrino0carica elettrica

½momento angolare di “spin”

“debole”interazione con la materia

??violazione della “simmetria CP”

ν ν ν ν ≠≠≠≠ νννν (Dirac) o ν ν ν ν ==== ν ν ν ν ((((Majorana) ??

??altre proprietà

recenti scopertema ancora molto lavoro per una completa comprensione

piccolissima ma > 0 : ?massa

“mescolamento” parzialmente conosciuto: ?

Fisica

Astrofisica Cosmologia

νννν

I neutrini, la loro massa e la materia oscura

Fisica

Astrofisica Cosmologia

νννν

Evidenza della “Materia Oscura” da galassie in rotazione

Effetto Doppler:la frequenza dipende

dalla velocità rispetto a noi

↓↓↓↓Velocità delle stelleRadiazione elettromagnetica

(luce, … )Sunflower galaxy

Vel

ocità

di r

otaz

ione

Distanza dal centro galattico

Distribuzione delle velocità di rotazione

delle stelle nelle galassie

↓↓↓↓

dati sperimentali(velocità, quindi massa,

molto più grandi)

Materia Oscura ~ 10 x materia visibile!Una misura di quanto vi è ancora da scoprire

Determina l’evoluzione dell’Universo

Materia Oscura!massa “visibile”

attesa dalla massa “visibile”

Materia “visibile”emette radiazioni elettromagnetiche: onde radio, micro-onde, I.R., luce, U.V., raggi X

Radiazione elettro-magnetica “reliquia” del Big-BangGamow 1948, Arno e Penzias 1965

~ 400 / cm3 a 2,7 °K, 10 miliardi di volte più numerosa delle particelle di materia

Neutrini “reliquie” del Big-Bangaltrettanto abbondanti

Che cosa potrebbe essere Materia Oscura?

• in (piccola) parte neutrini con massa > 0 anche se molto piccola (visto l’enorme numero di neutrini nel cosmo)

• particelle elementari tuttora ignote?• corpi macroscopici ?• ?

Materia nota dell’Universo

I neutrini e l’apparente assenza di antimateria

nell’Universo

E se ci fossero anti-galassie?

Fisica

Astrofisica Cosmologia

νννν

immanedisastrogalassia anti-

galassia

Che cosa ci può salvare dall’immane disastro?

Nei processi elementari (al Big Bang),materia e antimateria vengono createin misura eguale, ad esempio : γγγγ

e- elettronee+ positone

(anti-elettrone)

Come è scomparsa l’antimateria e non la materia?

La cosiddetta “violazione di CP” implica una evoluzione diversaper materia e antimateria: potrebbe salvarci ma la violazione di CP vista per i quarks non basta!

Dobbiamo scoprire una violazione di CP anche per i neutrini : oggi impossibile, ma forse per gli attuali studenti ….

Il “mescolamento” e le “oscillazioni” di neutrino

Fisica

Astrofisica Cosmologia

νννν

L’intrigante “mescolamento” dei neutrini

Quando i neutrini viaggiano indisturbati

bisogna invece riferirsi agli stati a massa definita νννν1, νννν2 , νννν3

ννννe , ννννµµµµ , ννννττττ ne sono “miscugli”, secondo la Meccanica Quantistica

ννννe , ννννµµµµ , ννννττττ ↔ νννν1, νννν2 , νννν3

Distinguiamo ννννe , ννννµµµµ , , , , ννννττττ perché

• sono prodottiin associazione con e, µµµµ , ττττ• interagendoin un apparato sperimentale producono e, µ µ µ µ , ττττ

Per i neutrini la magia è realtà

M.C. Escher, Metamorphose III (1967-68), parte di una xilografia di 0.2 m x 7 m

Possono cambiare identità: “oscillazioni” di neutrino”

Un effetto di Meccanica Quantistica che si verifica se mνννν > 0(→ il metodo più sensibile per studiare la massa del neutrino)

L’acceleratore di particelle

produceννννµµµµ

miscuglio diν1, ν2 e ν3

L’esperimento talvolta vede

ad esempio

ννννττττmiscuglio

“ diverso” da νµ

La propagazione diν1, ν2 e ν3dipende dalla loro massa

Se mν > 0 il miscuglio cambia

Osservazioni effettuate e problemi aperti

• Deficit di neutrini ννννe prodotti dal Sole:νe trasformati in altri neutrini, non visti dagli apparati sperimentali

• Deficit di neutrini ννννµµµµ prodotti da raggi cosmicinelle loro interazioni con l’atmosfera:νµ trasformati in ντ (?) non visti dagli apparati sperimentali

• Questioni aperte:- osservazione diretta di oscillazioniνµ→ ντ- misure più precise e completedei parametri fisici che governano le oscillazioni- come scopo ultimo, scoperta della violazione di CP

Nel seguito: la ricerca di oscillazioni ννννµµµµ→ ννννττττ(ruolo molto importante dei fisici napoletani)

Ricerca di “apparizione” di ννννττττ in un puro fascio di ννννµµµµ

ννννµµµµoscillazione?

ννννττττ

• Il ννννττττ interagisce nell’apparato sperimentalee produce la sua particella associata, il leptoneττττ

ττττ-

νµντ

µµµµ-~ 1 mm

• Il leptone ττττ vive ~ 10-13 s e decade entro ~ 1 mm

• Neutrini invisibili:il decadimento lascia una corta traccia a “gomito”

→ Esperimento CHORUSsul fascio di neutrini al CERN di Ginevra

→ Esperimento OPERAsul fascio di neutrini al CERN al Gran Sasso

“gomito”ττττPer avere un’idea

della scala

Per cercare il raro gomito del ττττUn “ago nel pagliaio” di un gran numero di interazioni di neutrino

in un “rivelatore” di grande massa 1 tonnellata CHORUS

2000 tonnellate OPERA

Sviluppi tecnologici

Emulsioni Nucleari*→ altissima risoluzione spaziale

Microscopia automatica→ altissima velocità di analisi

* Come pellicole fotografiche, ma- sensibili a singole particelle- risoluzione spaziale < 0,001 mm- immagine in tre dimensioni

0,1 mm

Interazione di neutrinoin emulsione nucleare

0,1mm10 cm

Microscopio per analisi automatica di immagini

in tre dimensioni

Interamente controllato da computerAltre applicazioni: biofisica, …

Emulsioni

Ottica

Telecamera

Immagine “tomografica”digitizzata in tre dimensioni

Terza dimensione:spessore emulsioni

Ottica~ 0,003 mm di

profondità di fuoco

mettendo afuocodiverse

profondità➪

“fette ottiche”

emul

sion

enu

clea

re

Telecamera veloce

Supporto mobile

L’apparato sperimentale di OPERA al Gran Sasso

νννν

Spettrometroper muoni

super-modulo

Bersaglio per interazioni di ννννOgni “super-modulo” contiene 31 “moduli”

costituiti da:

- una “parete” di “mattoni di Pb e emulsioni

- due piani di “rivelatori elettronici”

rivelatori elettronici

mattoni

modulo

mattone(56 “celle” Pb/Em).

8 cm

~200,000 mattoni

La ricerca delle oscillazioni ννννµµµµ-ννννττττ , oggi

Da esperimenti con

• neutrini solari• neutrini prodotti da interazioni di raggi cosmici con l’atmosfera

La massa del neutrino risulta molto più piccoladi quella indagata al CERN stesso

(dove vengono prodotti i neutrini)

Per vedere un effetto

bisogna “far viaggiare più a lungo” i neutrini(la tecnica delle emulsioni resta valida, seppure in modalità diverse)

Quindi ora … esperimento OPERA con ννννµµµµ dal CERN al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (INFN)

ννννττττ ?

fascio di ννννµµµµ

Grazie alla loro debolissime interazioni …..

I neutrini prodotti all’interno del Sole emergono da essoe ci danno informazioni sui processi che vi avvengono

Ogni altra radiazione (luce, ..) viene assorbita

I neutrini possono giungere a noi dal remoto UniversoSenza assorbimento (a differenza di luce, raggi γ , … )

Non deflessi da campi magnetici (a differenza delle particelle cariche)

i protoni sonodeflessi o assorbiti

la radiazione elettromagnetica è assorbita solo i neutrini possono

giungere a noi dalle sorgenti più lontane

I neutrini dalle stelle e dal Cosmosono eccezionali messaggeri astrofisici

↓

“Astrofisica con Neutrini ”

Premio Nobel 2002 a Davis e Koshiba per avervi dato inizio

Fisica

Astrofisica Cosmologia

νννν

Vedi presentazione di Giancarlo Barbarino

Conclusion

Amo questa particella anche perché mi dimostra che anche i più piccoli possono fare cose importanti

Janet Conrad, 2005