Gennaio 2005 IL NEUTRINO Il neutrino nel mondo delle particelle: pre-istoria e storia A che servono i neutrini ? Enigmi Come si “vedono e studiano”: due.

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1 Gennaio 2005 IL NEUTRINO Il neutrino nel mondo delle particelle: pre-istoria e storia A che servono i neutrini ? Enigmi Come si “vedono e studiano”: due linee di ricerca sperimentale, come esempi Fisica Astrofisica Cosmologia Paolo Strolin

2 Per sapere di più Versione estesa del seminario www.na.infn.it  Anno Mondiale della Fisica  Per le Scuole  Seminari Oppure  Attività di ricerca  Fisica Sperimentale delle Particelle  OPERA/CHORUS  Educational Materials Un buon sito sul neutrino wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/neut.html

3 Becquerel, 1896 Scoperta della radioattività naturale: emissione di “raggi” dall’uranio (quasi per caso) Lastre fotografiche al buio registrano una misteriosa “radiazione” Una Croce al Merito dà “ombra” e 1909 Bucherer: i raggi  hanno lo stesso q/m degli elettroni: sono elettroni 1897 M. Curie: natura atomica della “radioattività” 1899 Rutherford: raggi differenti , ,  1903Rutherford e Soddy: fenomeno associato a una trasmutazione di elementi chimici  Elementi “radioattivi” (Uranio, …) 1930Ipotesi di Pauli sull’esistenza del : nel decadimento  assieme all’elettrone è emessa una particella “invisibile” (neutra), poi chiamata “neutrino”  da Fermi

4 Le basi dell’ipotesi di Pauli sull’esistenza del “neutrino” dove è andata? se emesso da solo, l’elettrone prende sempre tutta l’energia disponibile (ma non è così) “Spettro  ” nel decadimento di un nucleo in uno più leggero eventi Energia dell’elettrone E disponibile =  M nuclei c 2 E elettrone  Ipotesi di Pauli: energia mancante rubata da una particella invisibile (neutra): E neutrino E elettrone può al limite raggiungere E disponibile  m   0 m  

5 Emissione dell’elettrone nel decadimento  : una apparente violazione del “nulla si crea, nulla si distrugge”  e - elettrone e + positrone (anti-elettrone) w-w- e - elettrone   anti-neutrino E dopo la scoperta dell’anti-materia Equazione di Dirac (1928); scoperta del positrone (Anderson, 1932) energia materia + anti-materia Ma secondo Einstein (1905) energia materia Includendo nel bilancio energia, materia e anti-materia di nuovo “nulla si crea e nulla si distrugge”

6 e abbiamo...

7 Abbiamo così parlato della preistoria del (come per l’uomo, in assenza di scrittura il racconto viene da altro) Lascaux (France) (~ 15.000 A.C.) Uomo and “uro” ( bue selvaggio di specie estinta) Rouffignac (Francia) (era geologica: Pleistocene) Grotta dei Cento Mammuth

8 “ Tentativo di una teoria dei raggi  ”  Enrico Fermi (1934) Sunto - Si propone una teoria quantitativa dell’emissione dei raggi  in cui si ammette l’esistenza del e si tratta l’emissione degli elettroni e dei neutrini da un nucleo all’atto della disintegrazione  con un procedimento simile 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 , e le si confrontano con i dati sperimentali. Probabilità del processo proporzionale a (“costante di accoppiamento”) 2 G F <<  Interazione Elettro-Magnetica p e-e- n GFGF e-e- e-e-   Interazione Debole

9 “Osservazione diretta” del neutrino tramite le sue rarissime interazioni (“deboli”) (Pontecorvo 1946; Reines e Cowan 1956, 26 anni dopo l’ipotesi di Pauli) La “firma” del neutrino nulla di visibile entra, esce un positrone rivelatore di particelle di grande massa p n e+e+  p  e +  n reattore nucleare n neutro, p rincula pochissimo: nessuno dei due viene visto intenso  flusso di

10 Con l’osservazione della “scrittura” del neutrino finisce la sua preistoria! Iscrizione fenicia su foglia d’oro trovata a Pyrgi (Lazio)

11 Le Particelle Elementari* un secolo dopo Becquerel Il neutrino: è la particella elementare ancora più misteriosa ha un ruolo importantissimo anche in Astrofisica e in Cosmologia * Sono “elementari” in senso assoluto? Emergerà un giorno una struttura più profonda della materia? tre “famiglie” Quarks bs c d ut tre neutrini Leptoni    e e 

12 Per particelle elementari: “sezione d’urto”  Stesso ruolo della “area trasversa” (  r 2 ) delle palle da biliardo nel definire le loro probabilità di impatto   10 -38 cm 2 diametro atomo  -   cm diametro nucleo  -   cm Il  ha una piccolissima probabilità di interagire con la materia “Interazione Debole”

13 Le Interazioni Fondamentali Quarks Forte (+ e.m. + Debole) e -,  -,  - e.m. ( + Debole) Neutrini Debole … agiscono su Interazioni puramente deboli dei neutrini → “Tavola periodica” delle particelle elementari : “famiglie” → Prima conferma sperimentale dell’Unificazione “Elettro-Debole” (CERN 1973) poi coronata dall’osservazione di W ± e Z 0 (CERN 1983) negli anni ’70 Unificazione Elettro-Debole MediatoriIntensità relativa Forte (nucleare)gluoni1 Elettro-Magnetica  10 -2 Debole W ±, Z o 10 -6 Gravitazionale ? 10 -40

14 Come ora comprendiamo il decadimento  (la sorgente dei “raggi” osservati da Becquerel nel 1896)  e -  è il decadimento di un “nucleone” (p, n) nel nucleo (F. Perrin, 1933) neutroneprotone 60 Co 60 Ni Il decadimento  “nucleare” ovvero il decadimento di un “quark” nel nucleone (Modello a Quark, 1964) d u d du ud u

15 A che servono i neutrini? Michelangelo Merisi, detto il Caravaggio (1573-1610) Cestino con frutta (1590?), Galleria Ambrosiana (Milano) Senza neutrini, il Sole non darebbe calore ! Non ci saremmo noi, non ci sarebbe frutta sulla Terra. Infatti ….

16 Il Sole e le stelle sono reattori a fusione nucleare Troppa energia viene irradiata, non può venire da reazioni chimiche (Eddington, 1920 ) p  p  d + e +  d  p  3 He   3 He  3 He  4 He  2p p  p   4 He        luce e calore Il neutrino è un ingrediente necessario! senza il neutrino Sole e stelle non splenderebbero “ciclo p-p” +e        neutrone protone con

17 Sulla Terra ~ 10 11 / cm 2 sec  I neutrini ( ) accompagnano la radiazione elettro-magnetica (  ) che ci illumina e scalda! Egualmente abbondanti ma invisibili

18 Perché siamo sensibili solo alla radiazione elettro-magnetica (I.R., luce, U.V.,  ) ? La radiazione elettro-magnetica interagisce con il nostro corpo e vi deposita la sua energia (calore) radiazione elettro-magnetica I neutrini attraversano perfino la Terra senza interagire! I neutrini ci attraversano senza interagire: non hanno alcun effetto!

19 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!

20 Le proprietà fisiche del neutrino 0carica elettrica ½ momento angolare di “spin” “debole” interazione con la materia recenti scoperte con molto lavoro ancora da fare per una maggiore comprensione piccolissima ma > 0massa ??violazione della “simmetria CP” “mescolamento” parzialmente conosciuto: ?   (Dirac)  o    Majorana) ?? altre proprietà Bassissima probabilità di interazione negli apparati sperimentali (“rivelatori”) Esperimenti difficili Ancora molti misteri sul neutrino

21 Il neutrino e le sue proprietà sono un punto nodale nella ricerca Fisica AstrofisicaCosmologia

22 Astrofisica I neutrini come “messaggeri di conoscenza” Fisica del Sole e delle stelle Collassi stellari e Supernove Origine dei raggi cosmici dalla nostra o da lontane galassie, … COSMOLOGIA I neutrini come “ingredienti essenziali” Neutrini “reliquie” del Big Bang (permeano l’universo come le micro-onde della Radiazione Cosmica di Fondo) Materia Oscura ed evoluzione dell’Universo Lo vedremo in relazione alle linee di ricerca portate come esempio Fisica Delle Particelle Elementari Il neutrino come “apri-pista” m   0 : il primo indizio sulla fisica nella “terra incognita” oltre il cosiddetto Modello Standard, …

23 Due parole sulla materia oscura

24 Evidenza della “Materia Oscura” da galassie in rotazione Effetto Doppler: la frequenza dipende dalla velocità rispetto a noi  Velocità delle stelle Radiazione elettromagnetica (luce, … ) Sunflower galaxy Velocità di rotazione Distanza dal centro galattico Distribuzione delle velocità di rotazione delle stelle nelle galassie  dati sperimentali (velocità, e 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”

25 Legge di Hubble, 1929 : le stelle si allontanano tra loro con una velocità crescente all’aumentare della loro distanza L’universo in espansione → Ipotesi del Big Bang Sembra che si allontanino “da noi”: in realtà tutto l’universo è in espansione

26 “Grande Scontro” o “Grande Freddo” ? La Materia Oscura contribuisce alla densità di materia d e quindi alla forza attrattiva totale, che determina il futuro dell’universo secondo d ↔ d critica Einstein : Relatività Generale 1916, Relatività Generale e Cosmologia 1917; Friedmann 1922 Dimensioni universo tempo dopo il Big Bang (decine … centinaia di miliardi di anni) Big Bangoggi d = d critica  situazione limite d > d critica  Grande Scontro d < d critica  Grande Freddo Vi è recente evidenza anche di una “Energia Oscura”, predetta da Einstein: introduce una azione repulsiva espansione secondo Hubble

27 Materia “visibile” emette radiazioni elettromagnetiche: onde radio, micro-onde, I.R., luce, U.V., raggi X Radiazione elettro-magnetica “reliquia” del Big-Bang Gamow 1948, Arno e Penzias 1965 ~ 400 / cm 3 a 2,7 °K, 10 miliardi di volte più numerosa delle particelle di materia Neutrini “reliquie” del Big-Bang altrettanto abbondante Che cosa potrebbe essere Materia Oscura? in parte da m > 0 (visto l’enorme numero di neutrini reliquie del Big-Bang) particelle elementari tuttora ignote? corpi macroscopici ? ? Materia nota dell’Universo

28 Due parole sul “mescolamento” e sulle “oscillazioni” di neutrino

29 E ora un poco di “magia” Per i neutrini è sempre magia secondo le leggi della Meccanica Quantistica! (e in Meccanica Quantistica si parla sempre in termini di probabilità) Parte in viaggio → Nel viaggio magicamente si “scompone” in Giuseppe e Giovanni di cui sia Pietro e che Paolo sono“miscugli”: Pietro è più Giuseppe che Giovanni, Paolo più Giovanni che Giuseppe All’arrivo del viaggio fatto assieme Giuseppe e Giovanni si “ricompongono” di nuovo in → Pietro Giuseppe Giovanni Pietro … ma se Giuseppe e Giovanni viaggiano diversamente c’è una certa “probabilità” che Giovanni predomini e all’arrivo si ricompongano non in Pietro ma in → Giuseppe Giovanni Paolo Pietro

30 L’intrigante “mescolamento” dei neutrini Quando i neutrini viaggiano indisturbati bisogna invece riferirsi agli stati a massa definita 1, 2, 3 e, ,  ne sono “miscugli”, secondo la Meccanica Quantistica e, ,  ↔ 1, 2, 3 Distinguiamo  e,    perché sono prodotti in associazione con e, ,  interagendo in un apparato sperimentale producono e, , 

31 Le “oscillazioni” di neutrino: il metodo più sensibile per studiare la massa del neutrino Un raro e singolare effetto di Meccanica Quantistica che si verifica se m    Nel loro cammino, i neutrini possono cambiare identità! (come vista dalle loro interazioni in un apparato sperimentale) M.C. Escher, Metamorphose III (1967-68), parte di una xilografia di 0.2 m x 7 m Pietro Giuseppe Giovanni Paolo viaggio diverso L’acceleratore di particelle produce  un miscuglio di 1, 2 e 3 L’esperimento talvolta vede  un miscuglio diverso da  se m > 0, 1, 2 e 3 si propagano diversamente e il loro miscuglio cambia

32 How can this happen? A hint: imagine that neutrinos are coloured  “Observed” neutrinos: mixtures of “mass” neutrinos, as in colour theory the “observed” colours are mixtures of “basic” colours observed colour basic colours  In Wave - Quantum Mechanics particles propagate as waves, with wavelength depending on mass yellow orange  seen !  (phase) red = greenred > green mixture at production propagation of “mass” neutrinos mixture at experiment Mixture and mass  observed is different: oscillation

33 Come i fisici “vedono e studiano” i neutrini Come esempio due linee di ricerca sperimentale: La ricerca di “oscillazioni di neutrino”  -  L’osservazione di neutrini cosmici di altissima energia

34 Ricerca di “apparizione” di  in un puro fascio di   oscillazione?  Il  interagisce nell’apparato sperimentale e produce la sua particella associata, il leptone  --   -- ~ 1 mm Il leptone  vive ~ 10 -13 s e decade entro solo ~ 1 mm Essendo i neutrini invisibili, il decadimento è identificato da una corta traccia apparentemente spezzata, → ESPERIMENTO CHORUS al CERN di Ginevra su un fascio di neutrini prodotti dall’acceleratore di particelle “gomito”

35 Per la ricerca del raro gomito di decadimento a scala < 1 mm e su una grande massa (un “ago nel pagliaio” di quasi un milione di interazioni di  )  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   vista con risoluzione spaziale micrometrica in emulsione nucleare 0,1 mm10 cm Formica del falegname

36 o se volete … quanto siamo stati anche noi embrione umano, il “giorno dopo” 0,1  0,15 mm Da The visible embryo, http://www.visembryo.com/baby/index.html

37 Microscopio per analisi automatica veloce di immagini in tre dimensioni Interamente controllato da computer Applicazioni anche in altri campi: es. biofisica Emulsioni Ottica Telecamera Immagine “tomografica” digitizzata in tre dimensioni Terza dimensione: spessore emulsioni Ottica ~ 0.003 mm di profondità di fuoco mettendo a fuoco diverse profondità   “fette ottiche” emulsione nucleare Telecamera veloce Supporto mobile

38 L’elaborazione al computer visualizza le tracce delle particelle nei due strati di emulsioni sui due lati della base di plastica Evento in emulsioni ricreato dal calcolatore in tre dimensioni 0,35 mm base plastica emulsione

39   h h CHORUS Bersaglio per i neutrini 800 kg di emulsioni nucleari per vedere il  in 3D Una “macchina fotografica” da 800 kg per il  800 kg Rivelatori Elettronici (fibre ottiche scintillanti e altre tecniche)  Definiscono l’istante dell’interazione  Localizzano gli eventi nelle emulsioni  Contribuiscono alla ricostruzione dell’evento calorimetro piani di veto spettromettro per gli adroni spettrometro per i muoni Corredata da rivelatori elettronici

40 I tracciatori a fibre scintillanti predicono la regione di emulsioni da analizzare Il “cuore” di CHORUS: il bersaglio attivo emulsioni interazione e decadimento di  (al microscopio) tracciatori a fibre ottiche scintillanti fascio di  ~ 1 mm interazione decadimento

41 Evento ricostruito dai rivelatori elettronici  Evento con  nello stato finale Segnali nei vari rivelatori e ricostruzione delle tracce Misura di variabili cinematiche, come energia o quantità di moto Vista dall’alto Vista da lato 

42 Risultati dell’esperimento CHORUS (Cern Hybrid Oscillation Research apparatUS) Fisica delle particelle contenenti un quark “charm” con l’osservazione diretta del loro decadimento grazie all’altissima risoluzione spaziale delle emulsioni nucleari: interessanti risultati Presa dati sul fascio di neutrini del CERN nel 1995-98 Collaborazione internazionale con ruolo importante dei fisici napoletani Ricerca di oscillazioni di neutrino  →  per masse del neutrino abbastanza grandi (~ 10 eV) da dare un contributo significativo alla Materia Oscura: evidenza negativa (in accordo con osservazioni astrofisiche)

43 Verso il futuro nella ricerca delle oscillazioni  -  Da esperimenti con neutrini solari neutrini prodotti da interazioni di raggi cosmici con l’atmosfera La massa del neutrino risulta molto più piccola di quella indagata da CHORUS Per vedere un effetto bisogna “far viaggiare più a lungo” i neutrini (la tecnica di CHORUS resta valida)

44  ?  Quindi tra qualche anno … esperimenti con dal CERN al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (INFN)

45 I neutrini: messaggeri dal Cosmo e dalle stelle I neutrini cosmici viaggiano su distanze enormi Senza assorbimento (a differenza di luce, raggi , … ) Non deflessi da campi magnetici (a differenza delle particelle cariche) I neutrini prodotti nelle reazioni nucleari all’interno del Sole emergono da esso e ci forniscono informazioni di “Astrofisica Solare” la radiazione elettromagnetica è assorbita i protoni sono deflessi o assorbiti solo i neutrini possono giungere a noi dalle sorgenti più lontane

46 I neutrini dal Cosmo e dalle stelle Eccezionali messaggeri di conoscenza ↓ “Astrofisica con Neutrini” Premio Nobel 2002 a Davis e Koshiba per avervi dato inizio

47 Che ci insegnano i neutrini provenienti dal cosmo? Quali sono i meccanismi? Osservati una sola volta (SN 1987A) Neutrini da Supernove Quale è l’origine dei Raggi Cosmici? Osservazioni ancora alla prima infanzia Neutrini ad altissima energia “Reliquie” del Big-BangChe successe negli istanti iniziali? Saranno un giorno osservati? Energia Seguiremo la traccia dei neutrini ad altissima energia Come funzionano le stelle? Massa del neutrino Vari esperimenti, anche al Gran Sasso Neutrini Solari

48 Possibili sorgenti di raggi cosmici e di altissima energia: giganteschi acceleratori cosmici Sorgenti galattiche  Residui di Supernove Sistemi binari  attorno a una Pulsar (stella di neutroni in rapida rotazione) o a un Buco Nero Sorgenti extra-galattiche Nuclei Galattici Attivi (quasars) Buco nero gas e polveri disco di accrezione jet di raggi cosmici Nube di gas

49 Come si possono “vedere” i neutrini cosmici ad altissima energia Cielo degli antipodi I neutrini attraversano la terra neutrini I neutrini (muonici) interagiscono e generano muoni Un apparato sperimentale rivela muoni di altissima energia muoni

50 La rivelazione dei muoni prodotti dai neutrini La rarità dei neutrini di altissima energia richiede un rivelatore di grandissima massa La rivelazione di luce Čerenkov nell’acqua del mare è la tecnica più economica mare neutrino muone “Occhi elettronici” (Foto-Moltiplicatori) guardano verso il basso e rivelano la luce generata dai muoni I muoni generano luce per effetto Čerenkov interazione con la materia … approfittando delle tecnologie subacquee sviluppate principalmente per il petrolio

51 Il rivelatore ANTARES 0.1 km 3, in preparazione a -2400 m nel mare di Tolone, Francia buoy anchor optical modules robot submarine Un Modulo Ottico: tre “occhi elettronici” entro sfere di vetro resistenti alla pressione File di Moduli Ottici ancorate al fondo e tenute tese da galleggianti (notare il piccolo sottomarino da prospezione)

52 Il rivelatore ANTARES, schematicamente Laboratorio P 2400 m ~300 m cavo elettro- ottico (~40 km) scatola di giunzione cavi ancora galleggiante elettronica ~60 m sonda acustica bussola, clinometro Idrofono Modulo Ottico con 3 “occhi” 13 file, ~1000 “occhi” vista dall’alto fila di “occhi”

53 Il progetto NEMO un rivelatore da 1 km 3 al largo di Capo Passero (Sicilia) Il rivelatore ICECUBE nella profondità dei ghiacci dell’Antartico userà una simile tecnica e avrà una simile massa Assieme esploreranno il Cosmo nei due emisferi neutrino muone prodotto dal neutrino muone atmosferico 3500 m

54 → un bellissimo campo di ricerca Esperimenti difficili e delicati →sfida per fisici sperimentali … di dimensioni “umane” → soddisfazione individuale Sviluppo di nuove tecnologie →una attività formativa Lab. locali e internazionali → esperienze stimolanti Simbiosi ricerca-didattica → Lauree e Dottorati Fisica AstrofisicaCosmologia … e per concludere, il neutrino offre