Viaggio al centro della Terra a cavallo dei neutrini

Viaggio al centro della Terra a cavallo dei neutrini
Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano
Di cosa parlero’ @ Cosa sono i neutrini ? @ Come e’ costituita la Terra? @ A cosa e’ dovuto il calore all’interno della Terra? @ Perche’ studiare i neutrini emessi dalla Terra? @ Cosa abbiamo imparato finora? Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Facciamo un passo indietro: cosa sono le particelle elementari?
Sono i costituenti elementari della materia Le particelle stabili che costituiscono la materia sono: Elettrone: costituente dell’atomo; obbedisce alle forze elettromagnetiche Protone e Neutrone ( in verita’ il n vive in media :886,8 s): costituenti del nucleo; obbediscono alle forze nucleari forti Neutrino, avente carica 0, e massa molto piccola- esso e’ disaccoppiato dalla materia Ma ci sono molte altre particelle instabili, che si trasformano cioe’ dopo tempi molto piccoli ( da un miliardesimo di secondo a molto meno) in altre particelle Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Ma come si studiano le particelle ?
Creando delle situazioni dinamiche si accelerano particelle stabili come il protone e si inviano contro altri protoni, o contro dei bersagli materiali. Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

p (1TeV) p (fermo) Equivale a parecchie migliaia di centrali nucleari Little Bang BIG BANG Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Formazione dei nuclei con particelle stabili- le particelle instabili prodotte nel BB sono decadute (B) Separazione Radiazione- Particelle (A) Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Fase A C.M.B. a 3 K; residuo fossile della radiazione separatasi nella fase A Fondo di neutrini nell’universo: ~300/cm3; residuo fossile dei prodotti di decadimento delle particelle instabili prodotte nel BB Fase B A C+D+E F+G L+M (stabili) D+H+I particelle stabili =p,n,e- D+L+.. part. stabili Ma p ,e-, n formano la materia I neutrini rimangono disaccoppiati Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

  P R O I E T A’ ha carica nulla ha massa molto piccola ha spin, cioe’ ruota su su stesso come una trottola, girando in modo antiorario. Se esistesse un neutrino destrorso (non lo sappiamo ancora) sarebbe sterile ha una bassissima probabilita’di interagire con altre particelle: puo’ attraversare l’Universo rimanendo indisturbato come tutte le particelle esiste la sua antiparticella (antineutrino) Quindi e’ una formidabile sonda per esplorare zone irraggiungibili: interno del Sole e della Terra, lontano Universo, ecc. Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Esempio: @ I fotoni, prodotti all’interno del Sole, impiegano ca anni ad uscire dalla nostra stella, mentre i neutrini escono da essa in 2-3 secondi: quindi i neutrini danno informazioni sul funzionamento del Sole in tempo reale. @ I neutrini sono I primi messaggeri a raggiungerci quando esplode una Supernova. @ Come abbiamo gia’ detto, possono attraversare l’Universo rimanendo indisturbati. @ Ma ugualmente attraversano la Terra senza essere perturbati Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Nocciolo interno -SOLIDO Earth structure Dimensioni della Luna; lega Fe – Ni ; solido a causa dell’alta pressione,malgrado la temperatura di ~ 5700 K; Nocciolo esterno-liquido Spessore 2260 Km- lega Fe-NI liquido- temperatura ~ 4100 – 5800 K; geodynamo: Moto di liquido conduttivo; D’’ layer: transizione mantello- nocciolo spessore: ~200 km; discontinuita’ sismica; Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Mantello inferiore alto rapporto Mg/Fe ; T: 600 – 3700 K; alta pressione: viscoso; spessore:~2000 km Zona di transizione km di spessore Sede delle fessurazioni oceaniche; Mantello superiore Altamente viscoso, sul quale galleggiano le placche tettoniche Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

La crosta terrestre Crosta oceanica: spessore ~ 10 km; Sede delle fessurazioni oceaniche Crosta continentale ; spessore: 30 – 70 km ; metamorfico, Sede di rocce sedimentarie Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Come avere informazioni sull’interno della Terra?
Sismologia P – onde longitudinali S – onde trasversali Informazioni sulla densita’ e sulla fase:liquido o solido; ma non si ottengono informazioni sulla composizione chimica Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Geochimica Calore terrestre Misure dirette @carotaggi (max:12 km.) nella crosta continentale; meno profondi in quella oceanica @rocce portate dalla eruzioni vulcaniche @studio del mantello dalle fessurazioni oceaniche Modelli geochimici @meteoriti @composizione del Sole Bulk Silicate Earth (BSE) Evoluzione del mantello dalla sua costituzione primordiale dopo la separazione Fe-Ni, ma utilizzando anche le misure dirette. 31-46 TW gradiente di temperatura nella crosta-gradiente nelle fessure oceaniche 19-46 TW stima dell’energia termica dovuta ai decadimenti radioattivi-georeattore 238U  206Pb + 8 a + 8 e- + + 6 anti-neutrinos MeV 232Th  208Pb + 6 a + 4 e- + + 4 anti-neutrinos MeV 40K  40Ca + e- + + 1 anti-neutrino MeV Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Vi sono nel mondo solo due rivelatori capaci di studiare i geoneutrini

Zona del Gran Sasso Misura del sedimento Studio della crosta (Engadina) Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Studio dei geoneutrini per sapere: @- Qual’e’ la frazione di calore terrestre prodotto dai decadimenti radioattivi @- Quanto calore radioattivo e’ prodotto nel mantello- differenziazione fra crosta continentale e crosta oceanica @- C’e’ radioattivita’ anche nel nocciolo? Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Come si rivelano gli anti-neutrini
g (0.511 MeV) PROMPT SIGNAL Evisible = Te + 2*0.511 MeV = = Tgeo-n – 0.78 MeV e+ ne p g (0.511 MeV) p DELAYED SIGNAL mean n-capture time on p 200 ms n n g (2.2 MeV) Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Antineutrini da reattori.

Studio delle caratteristiche dei reattori- “data base” e contatti diretti con IAEA e EdF Composizione del combustibile Flusso di antineutrini Spettro in energia Potenza media mensile o settimanale Distanza dal Gran Sasso Probabilita’ di interazione dell’ antineutrino Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Simulazione di eventi falsi da parte della radioattivita’ Naturale: @ altissimo livello di purificazione @ ottimo schermo delle rocce dai raggi cosmici- laboratorio underground Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Detector design and layout
Stainless Steel Sphere: 2212 photomultipliers 1350 m3 Scintillator: 270 t PC+PPO in a 125 m thick nylon vessel Water Tank: g and n shield m water Ch detector 208 PMTs in water 2100 m3 Nylon vessels: Inner: 4.25 m Outer: 5.50 m 20 legs Carbon steel plates Design based on the principle of graded shielding Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Records in the radiopurity achieved by Borexino Material Typical conc. of the unpurified materials Radiopurity levels in the Bx scintillator 14C 14C/12C<10-12 238U,232Th equiv. - Hall C dust - stainless. steel - nylon ~1 ppm ~1ppb ~1ppt Knat Hall C dust 222Rn - external air. - air underground ~20 Bq/m3 ~ Bq/m3 85Kr 39Ar in N2 for stripping ~1.1 Bq/m3 ~13 mBq/m3 - 222Rn - 238U,232Th equiv. LNGS - Hall C water ~50 Bq/m3 ~10-10 g/g Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

0, g di contaminante radioattivo a fronte di 1 g di materiale rivelante Cioe’ un miliardesimo di un miliardesimo di materiale e’ radioattivo Emissione dalle rocce assorbite dalle 2100 tonnellate d’acqua, purificata anch’essa Schermo ai raggi cosmici da 2500 m circa di roccia. Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Interno del Counting Test Facility

Come si dovrebbe osservare nel rivelatore Spettro aspettato teoricamente Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

BOREXINO 2010 Presa dati: Dec 2007 to Dec 2009; giorni effettivi 21 anti-n candidati in totale Simulazione con il computer Risultato sperimentale Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Confronto con i modelli 68%, 90% and 99.73% C.L. Max radiogenic BSE Min radiogenic Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Kamland Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Moto conduttivo nel mantello- rete di esperimenti nel mondo Mappa delle differenze di distribuzione di calore nel mantello Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Esperimenti futuri SNO+ Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Conclusioni @ E’ dimostrata l’esistenza dei geo-neutrini, antineutrini emessi nei decadimenti radioattivi all’interno della Terra Essi provengono sia dalla Crosta sia dal Mantello I decadimenti radioattivi sono la principale sorgente di calore terrestre; forse essi producono il 100% del calore terrestre.Per conoscere la percentuale esatta bisogna raccogliere piu’ dati (2-3 anni) La dislocazione del calore all’interno del mantello, causa dei fenomeni vulcanici e tettonici, potrebbe essere ottenuta mediante un certo numero di esperimento, tipo Borexino, dislocati in vari punti sulla Terra ( 2 funzionanti e due in progetto- almeno 10 anni) @ @ @ Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

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