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

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

E = mc2 Nulla si crea nulla si distrugge energia materia apparentemente, ma : Einstein 1905 E = mc2 energia materia

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

Neutrino e antineutrino E così abbiamo :

Decadimento b nucleare 60Co 60Ni + e- + n n p + e- + n ( F. Perrin 1933 ) d u + e- + n (Teoria dei Quarks 1964) E disponibile ( Dmnuclei c2 ) eventi Energia di e IPOTESI DI PAULI (1930) Ee £ Edisp , quindi n che porta via energia e mn~ 0 “ladro” invisibile perchè elettricamente neutro

“sezione d’urto” s n Per le particelle elementari (come n) invece che “dimensioni” (es. pr2 di una pallottola) diametro atomo ~ 10-8 cm n s ~10-38 cm2 diametro nucleo ~ 10-13 cm Il neutrino ha una probabilità piccolissima di interagire con la materia : “Interazione Debole”

p e- n e- g GF a Interazione DEBOLE GF << a (sono probabilità) Fermi TENTATIVO DI UNA TEORIA DEI RAGGI b di Enrico Fermi (1934) Sunto - Si propone una teoria quantitativa dell’emissione dei raggi b 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 b con un procedimento simile aquello 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 b, e le si confrontano con i dati sperimentali. Ipotesi Fondamentale della teoria §1 Nel tentativo di costruire una teoria degli elettroni nucleari e dell’emissione dei raggi b, si incontrano, come è noto due difficoltà principali. La prima dipende dal fatto che i raggi b primari vengono emessi dai nuclei con una distribuzione continua di velocità. Se non si vuole abbandonare il principio della conservazione dell’energia, si deve ammettere perciò che una frazione dell’energia che si libera nel processo di disintegrazione b sfugga alle nostre attuali possibilità di osservazione. Secondo la proposta di Pauli si può, ad esempio, ammettere l’esistenza di una nuova particella, il così detto <neutrino> avente carica elettrica nulla e massa dell’ordine di grandezza di quella dell’elettrone o minore. Si ammette poi che in ogni processo b vengano emessi simultaneamente un elettrone, che si osserva come raggio b, e un neutrino che sfugge aall’osservazione portando seco una parte dell’energia. Nella presente teoria ci baseremo sopra l’ipotesi 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. p e- g a e- n GF Interazione DEBOLE GF << a (sono probabilità) Interazione ELETTROMAGNETICA

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

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

Interazioni Fondamentali forze Interazioni Fondamentali I n hanno permesso di isolare e capire le Interazioni Deboli  W+ e Z0 (Rubbia 1983) Le Interazioni Deboli hanno fatto scoprire le “famiglie”

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

che ci illumina e scalda! sole sulla Terra ~ 1011 n / cm2 ! accompagnano necessariamente i g , la radiazione e.m. che ci illumina e scalda! egualmente abbondanti ma invisibili

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

ne,m,t e ora veniamo agli ENIGMI ! aspetti ancora misteriosi del n bassissima probabilità di interazione dei n negli apparati sperimentali (“rivelatori”) aspetti ancora misteriosi del n carica elettrica ne,m,t momento angolare di “spin” 1 / 2 interazioni debole massa ? altre proprietà ? n ¹ n (Majorana) ?

mn L’enigma mn e le sue implicazioni FISICA ASTROFISICA COSMOLOGIA enigma neutrino L’enigma mn e le sue implicazioni FISICA mn ASTROFISICA COSMOLOGIA

mn > 0 ? FISICA Le odierne teorie pongono mn= 0 : massa del neutrino mn > 0 ? FISICA Le odierne teorie pongono mn= 0 : tanto piccola che per ora non se ne riescono a vedere gli effetti Nessuna ragione fondamentale Se mn > 0 nuove frontiere della Fisica ASTROFISICA La “materia oscura” dell’universo è in parte spiegata da mn = 0 , vista l’abbondanza di n nell’universo ? COSMOLOGIA Continuerà l’espansione dell’universo iniziata con il “bing bang” ?

La Materia Oscura Massa visibile solo 10% della massa totale ! verso la Terra misura della velocità per effetto Doppler velocità 300 200 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 distanza da centro galassia Curva sperimentale rilevata Materia Oscura massa “visibile” Massa visibile solo 10% della massa totale !

Componenti noti dell’Universo Materia “visibile” ( emette radiazioni e.m. : i.r. , luce, u.v. , microonde, raggi x) Fotoni “reliquie” del Big-Bang ( ~ 400/cm3 a 2,7 °K - Arno e Penzias 1965 ) Neutrini “reliquie” del Big-Bang (pure stimati ~ 400/cm3) E la materia oscura ? N.B. mn non richiede “l’invenzione” di nuovi oggetti ed è plausibile che sia mn > 0 viene in parte da mn > 0 ? particelle elementari ora ignote ? ?

L’UNIVERSO IN ESPANSIONE Legge di Hubble, 1929 : le stelle si allontanano da noi con una velocità crescente all’aumentare della loro distanza

la materia oscura influisce su densità r « rc ! Big Bang Il “Grande Scoppio” (Big Bang) Dimensioni universo tempo Grande Freddo r < rc Situazione limite rc r > rc oggi Big Bang Grande Scontro la materia oscura influisce su densità r « rc ! Einstein : Relatività Generale 1916, Relatività Generale e Cosmologia 1917. Friedmann 1922

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

Chorus CHORUS Cern Hybrid Oscillation Research apparatUS Apparizione di nt in un fascio di nm rivelazione del t prodotto nelle interazioni X nm nt t Osc m nm nt

Apparato sperimentale Il rivelatore CHORUS L’apparato 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 dell’evento.

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

Il “CUORE” di CHORUS Localizzazione dell’evento Emulsioni e tracker Il “CUORE” di CHORUS Localizzazione dell’evento Il sistema di tracciamento a fibre scintillanti predice la regione di emulsioni da analizzare con microscopi automatici gestiti da computer.

Immagine Evento in emulsioni ~ 100 micron

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

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

Evento in emulsioni ricreato in tre dimensioni dal calcolatore L’elaborazione al computer è in grado di visualizzare le particelle generate nell’interazione (tracce), la loro direzione nei due strati di emulsioni sopra e sotto la base di plastica.

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

Fisico sperimentale