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IL NEUTRINO Preistoria Storia A che serve ? Enigmi Fisica Astrofisica Cosmologia Bibliografia A. Ereditato, V Palladino e P.S.- Lenigma del neutrino -

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Presentazione sul tema: "IL NEUTRINO Preistoria Storia A che serve ? Enigmi Fisica Astrofisica Cosmologia Bibliografia A. Ereditato, V Palladino e P.S.- Lenigma del neutrino -"— Transcript della presentazione:

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2 IL NEUTRINO Preistoria Storia A che serve ? Enigmi Fisica Astrofisica Cosmologia Bibliografia A. Ereditato, V Palladino e P.S.- Lenigma 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) Paolo Strolin ( con la collaborazione artistica e informatica di Laura Strolin e Catello Ingenito ) titolo

3 e - BECQUEREL 1896 SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA NATURALE Elementi radioattivi ( * ) Uranio, Radio,.. ( * ) Copyright Marie Curie e si scoprì poi che assieme a viene emesso e-e- radiazioni

4 Nulla si crea nulla si distrugge apparentemente, ma : Einstein 1905 E mc 2 energia materia energia - materia 1

5 Più precisamente: { ENERGIA materia anti-materia ( * ) esempi: e - elettrone e + positrone (anti-elettrone) w-w- e - elettrone anti-neutrino includendo nel bilancio energia, materia e anti-materia si ritrova nulla si crea e nulla si distrugge energia - materia 2 ( * ) Antimateria : Dirac 1928, Anderson (e + ) 1932

6 Neutrino e antineutrino E così abbiamo :

7 Decadimento Decadimento nucleare e-e- 60 Co 60 Ni e - n p e - ( F. Perrin 1933 ) d u e - (Teoria dei Quarks 1964) IPOTESI DI PAULI (1930) E e E disp, quindi che porta via energia e m 0 ladro invisibile perchè elettricamente neutro E disponibile ( m nuclei c 2 ) eventi Energia di e

8 sezione durto Per le particelle elementari (come ) sezione durto invece che dimensioni (es. r 2 di una pallottola) cm 2 diametro atomo - cm diametro nucleo - cm Il neutrino ha una probabilità piccolissima di interagire con la materia : Interazione Debole

9 Fermi TENTATIVO DI UNA TEORIA DEI RAGGI di Enrico Fermi (1934) Sunto - Si propone una teoria quantitativa dellemissione dei raggi in cui si ammette lesistenza del e si tratta lemissione degli elettroni e dei neutrini da un nucleo allatto della disintegrazione con un procedimento simile aquello seguito nella teoria dellirradiazione per descrivere lemissione 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, e le si confrontano con i dati sperimentali. Ipotesi Fondamentale della teoria §1 Nel tentativo di costruire una teoria degli elettroni nucleari e dellemissione dei raggi, si incontrano, come è noto due difficoltà principali. La prima dipende dal fatto che i raggi primari vengono emessi dai nuclei con una distribuzione continua di velocità. Se non si vuole abbandonare il principio della conservazione dellenergia, si deve ammettere perciò che una frazione dellenergia che si libera nel processo di disintegrazione sfugga alle nostre attuali possibilità di osservazione. Secondo la proposta di Pauli si può, ad esempio, ammettere lesistenza di una nuova particella, il così detto avente carica elettrica nulla e massa dellordine di grandezza di quella dellelettrone o minore. Si ammette poi che in ogni processo vengano emessi simultaneamente un elettrone, che si osserva come raggio, e un neutrino che sfugge aallosservazione portando seco una parte dellenergia. Nella presente teoria ci baseremo sopra lipotesi 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. Interazione ELETTROMAGNETICA p e-e- n GFGF Interazione DEBOLE G F << (sono probabilità) e-e- e-e-

10 scoperta e qua finisce la preistoria... scoperta ( * ) del (Reines e Cowan 1956) ( * ) Osservazione di neutrini che interagiscono (debolmente !!) con la materia in un rivelatore di particelle : la scrittura dei neutrini ! Rivelatore p n e+e+ p e + n Reattore Nucleare n invisibile, p fermo quindi pure invisibile

11 particelle dopo tante affascinanti ricerche.. Olimpo delle attuali ( * ) PARTICELLE ELEMENTARI Quarks ( - - )( - - )( - - ) FAMIGLIE Leptoni ( - ) ( - )( e e-e- ) non ancora osservato! n.b. - ora differenziamo e,, di questo olimpo il è un membro SPECIALE ED IMPORTANTISSIMO (*) Saranno considerate elementari un domani, o si scoprirà che alcune in realtà sono strutture composte ?

12 I hanno permesso di isolare e capire le Interazioni Deboli W + e Z 0 (Rubbia 1983) Le Interazioni Deboli hanno fatto scoprire le famiglie forze Interazioni Fondamentali

13 fusione nucleare a che servono i neutrini ?a scaldarci ! (in realtà non direttamente, ma nel senso che senza i non saremmo scaldati dal sole) lenorme energia sprigionata allinterno delle stelle ( e quindi anche dal sole ) non può provenire da reazioni chimiche. proviene da reazioni di FUSIONE NUCLEARE ( Eddington, 1920 !) ciclo p-p protone neutrone e p p d + e + d p 3 He 3 He 3 He 4 He 2p in definitiva p p 4 He Luce e radiazioni e.m.

14 sole sulla Terra ~ / cm 2 accompagnano necessariamente i, la radiazione e.m. che ci illumina e scalda! egualmente abbondanti ma invisibili

15 riscaldamento perchè la radiazione e.m. (i.r., luce, u.v.) ci scalda, ma i no ? risposta la radiazione e.m. interagisce con il nostro corpo e vi deposita la sua energia (calore) i neutrini no, ci attraversano senza interagire: non depositano energia !

16 enigmi e ora veniamo agliENIGMI ! bassissima probabilità di interazione dei negli apparati sperimentali (rivelatori) aspetti ancora misteriosi del e,, carica elettrica0momento angolare di spin1 / 2interazionidebolemassa?altre proprietà? Majorana) ?

17 enigma neutrino Lenigma m e le sue implicazioni m FISICA ASTROFISICACOSMOLOGIA

18 massa del neutrino m > 0 ? FISICA Le odierne teorie pongono m 0 : tanto piccola che per ora non se ne riescono a vedere gli effetti Nessuna ragione fondamentale Se m > 0 nuove frontiere della Fisica ASTROFISICA La materia oscura delluniverso è in parte spiegata da m = 0, vista labbondanza di nelluniverso ? COSMOLOGIA Continuerà lespansione delluniverso iniziata con il bing bang ?

19 verso la Terra misura della velocità per effetto Doppler velocità distanza da centro galassia massa visibile Materia Oscura Massa visibile solo 10% della massa totale ! Curva sperimentale rilevata Materia oscura La Materia Oscura

20 Materia visibile ( emette radiazioni e.m. : i.r., luce, u.v., microonde, raggi x) Fotoni reliquie del Big-Bang ( cm 3 a 2,7 °K - Arno e Penzias 1965 ) Neutrini reliquie del Big-Bang ( pure stimati cm 3 ) E la materia oscura ? viene in parte da m > 0 ? particelle elementari ora ignote ? ? N.B. m non richiede linvenzione di nuovi oggetti ed è plausibile che sia m > 0 Universo 1 Componenti noti dellUniverso

21 Legge di Hubble, 1929 : le stelle si allontanano da noi con una velocità crescente allaumentare della loro distanza Universo 2 LUNIVERSO IN ESPANSIONE

22 Big Bang Il Grande Scoppio (Big Bang) Dimensioni universo tempo Big Bang oggi Situazione limite c Grande Freddo < c Grande Scontro > c la materia oscura influisce su densità c ! Einstein : Relatività Generale 1916, Relatività Generale e Cosmologia Friedmann 1922

23 oscillazioni Alla ricerca di m Il metodo più sensibile è basato sulla ricerca di un effetto indotto da m oscillazioni di neutrino ricercate osservando SCOMPARSA flusso predetto - osservato APPARIZIONE in assenza di fondo anche 1 ev. basta sensibilità e chiarezza Difficoltà sperimentali: mai osservato scoprire osservare oscillazioni m doppio problema doppio interesse !!

24 Osc X Apparizione di in un fascio di rivelazione del prodotto nelle interazioni Chorus CHORUS Cern Hybrid Oscillation Research apparatUS

25 Lapparato 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 dellevento. Apparato sperimentale Il rivelatore CHORUS

26 La risposta dei vari rivelatori dellapparato viene visualizzata attraverso un programma grafico. In particolare si tratta di un evento che presenta un nello stato finale. Sono inoltre mostrate alcune variabili cinematiche, come lenergia, ricostruite dal programma di analisi. Evento Un evento di CHORUS

27 Il sistema di tracciamento a fibre scintillanti predice la regione di emulsioni da analizzare con microscopi automatici gestiti da computer. Emulsioni e tracker Il CUORE di CHORUS Localizzazione dellevento

28 ~ 100 micron Immagine Evento in emulsioni

29 10 cm 0,1 mm 100 micron dimensioni Per rendersi conto di quanto sono 100 micron

30 Ricostruzione delle tracce e del vertice di interazione con il New Track Selector (NTS) analisi di immagini Analisi automatica di immagini

31 Lelaborazione al computer è in grado di visualizzare le particelle generate nellinterazione (tracce), la loro direzione nei due strati di emulsioni sopra e sotto la base di plastica. Evento 2 Evento in emulsioni ricreato in tre dimensioni dal calcolatore

32 un bellissimo campo di ricerca esperimenti difficili e delicati tuttavia: dimensioni umane interessante per i giovani attività stimolante conclusioni … per concludere LABORATORI LOCALI E INTERNAZIONALI (CERN) FISICA COSMOLOGIAASTROFISICA UNA SFIDA PER I FISICI SPERIMENTALI SFIDA SUL PIANO INTELLETTUALE NON SU QUELLO DELLA GRANDE IMPRESA LAUREANDI - DOTTORANDI SIMBIOSI RICERCA-DIDATTICA

33 Fisico sperimentale


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