Progetto atomo: I NEUTRINI

Ciao a tutti.. sono Rino, un neutrino!

I neutrini sono particelle puntiformi della famiglia dei leptoni prive di carica elettrica, con una massa estremamente piccola (che non si e' ancora riusciti a misurare) e con spin ½ (perciò sono fermioni). Poiché i neutrini non hanno carica elettrica né carica di colore, interagiscono solo attraverso la forza nucleare debole e non sono soggetti all’interazione nucleare forte e alla forza elettromagnetica. Poiché possiedono una massa, sono sensibili anche alla gravità, ma essendo la gravità la forza più debole ed avendo il neutrino una massa piccolissima, questa interazione è trascurabile rispetto all’interazione debole. I neutrini interagiscono molto raramente con la materia; possono infatti attraversare praticamente indisturbati enormi spessori di materia. (Occorrerebbe un ipotetico muro spesso un anno luce in piombo per bloccare la metà dei neutrini che lo attraversano).

non potrebbe superare il limite di 2,2 elettronvolt. La massa del neutrino non è stata finora calcolata con esattezza. Le più recenti scoperte gli assegnano comunque un limite inferiore e uno superiore: il primo dovrebbe essere maggiore di alcuni centesimi o decimi di elettronvolt, un valore piccolissimo, pari a circa un decimilionesimo del valore di massa dell’elettrone. Per quanto riguarda il limite superiore, la stima migliore di cui si disponga proviene da un recente studio condotto sulla densità di massa presente nell’universo. Secondo questa ricerca, i neutrini non potrebbero costituire più del 13% della massa dell’universo, quindi la somma delle singole masse dei tre tipi di neutrino – elettronico, muonico e tauonico – non potrebbe superare il limite di 2,2 elettronvolt.

L'esistenza del neutrino fu proposta nel 1930 dal fisico austriaco W. Pauli per spiegare le osservazioni sperimentali relative al cosiddetto decadimento radioattivo di tipo beta dei nuclei atomici, che richiedevano che durante il decadimento fosse prodotta una particella neutra di massa molto piccola. E. Fermi elaborò ulteriormente questa ipotesi e diede al neutrino il suo nome. I neutrini furono osservati per la prima volta solo nel 1956, quando C. Cowan e F. Reines riuscirono per la prima volta a "catturare" dei neutrini (o piu' precisamente degli "antineutrini") nel corso di un esperimento eseguito al reattore nucleare a fissione di Savannah River, negli Stati Uniti.

ESISTONO TRE SAPORI DI NEUTRINI: ELETTRONICO, MUONICO & TAUONICO

IL NEUTRINO ELETTRONICO

IL NEUTRINO MUONICO

IL NEUTRINO TAUONICO

Le masse dei diversi sapori sono probabilmente diverse tra loro ma non si e' ancora riusciti a misurarle. Esiste un fenomeno chiamato “oscillazioni di sapore” per cui in certe condizioni un neutrino inizialmente con un certo sapore può cambiare (o oscillare) il suo sapore dopo aver percorso un certo cammino. Il neutrino attraversa la materia con estrema facilità e quindi anche il nostro corpo è continuamente perforato da miliardi di questi minuscoli proiettili che tuttavia non gli arrecano alcun danno. Essi non interagiscono molto con la materia per via delle loro piccole dimensioni, ma anche perché viaggiano a velocità elevatissime (addirittura alla velocità della luce se fossero senza massa) e pertanto nel loro cammino rimangono per un tempo troppo breve vicino ai nuclei atomici coi quali potrebbero interagire. Infatti in media soltanto un neutrino all'anno interagisce con il corpo di una persona.

La maggior parte dei neutrini ha origine naturale ed è prodotta in vari modi (provengono dal Big Bang, dalle stelle e dal nostro Sole, dai raggi cosmici, dalla nostra stessa Terra e dagli animali, uomo incluso). Ma i neutrini possono essere prodotti anche artificialmente dall’uomo (dai reattori nucleari e dagli acceleratori di particelle). Una grande quantità di neutrini fu prodotta nel Big Bang. L'Universo, da allora, si è espanso enormemente nel corso di 15 miliardi di anni. Di quei neutrini, circa 330 si trovano in ogni centimetro cubo dell'Universo attuale. Galassie, stelle, pianeti e la nostra terra sono immersi in una nube di neutrini fossili.

A seconda di come vengono prodotti in natura i neutrini si dividono in:

NEUTRINI SOLARI Una grande quantità di neutrini elettronici viene prodotta all'interno delle stelle e in particolare del Sole; i neutrini sono prodotti nel nucleo del Sole durante le reazioni di fusione termonucleare responsabili della produzione dell'energia, e giungono fino alla Terra. dei processi fisici che fanno funzionare il Sole. Vari esperimenti sono stati in grado di misurare i neutrini solari prodotti in molte reazioni termonucleari del sole. Anche gli esperimenti sui neutrini solari hanno evidenziato la presenza del fenomeno delle oscillazioni di sapore dei neutrini, che subiscono una sorta di amplificazione all'interno della materia solare.

NEUTRINI TERRESTRI NEUTRINI ATMOSFERICI All'interno della Terra sono presenti minerali contenenti elementi radioattivi quali l'Uranio e il Torio, i cui nuclei decadono emettendo energia sotto forma di calore, e antineutrini elettronici. I neutrini prodotti sfuggono dalla Terra verso lo spazio ma finora non e' ancora stato possibile rivelare questo tipo di neutrini. NEUTRINI ATMOSFERICI I raggi cosmici che bombardano l’atmosfera terrestre collidono con gli atomi di essa e innescano delle reazioni che producono molte particelle secondarie tra cui neutrini ed antineutrini (prevalentemente elettronici e muonici). I neutrini atmosferici sono studiati da molti anni e hanno permesso di evidenziare il fenomeno delle oscillazioni di sapore.

NEUTRINI DA ESPLOSIONE DI SUPERNOVAE I neutrini possono anche essere prodotti in seguito ad esplosioni di supernovae, stelle massive che dopo aver esaurito il loro combustibile nucleare collassano ed esplodono emettendo una enorme quantità di energia sotto forma di luce, materia, ed anche di antineutrini. Se la supernova esplode nella nostra galassia la quantità di neutrini emessa e' talmente alta da raggiungere la Terra con una intensità rilevante. I neutrini vengono emessi in un unico fiotto che dura una decina di secondi. L’ultima supernova galattica è esplosa nel 1987 (supernova SN1987A) e in quell’occasione si sono catturati per la prima volta una decina di neutrini formati con tale meccanismo. Il numero di esplosioni galattiche è solo di una ogni vent’anni in media e dal 1987 non vi sono più state supernovae galattiche.

NEUTRINI FOSSILI Si ritiene che pochi istanti dopo la nascita dell'universo (Big-Bang) siano stati prodotti un enorme numero di neutrini e antineutrini di ogni sapore, che sono sopravvissuti fino ad oggi diminuendo via via la loro energia a causa dell'espansione dell'universo stesso. Essi si propagano in ogni direzione all'interno dell'universo con una densità di circa 300 per centimetro cubo.  L'energia di questi neutrini fossili e' ora estremamente bassa, meno di un miliardesimo di quella dei neutrini solari. Per questo motivo attualmente sembra praticamente impossibile catturare questi neutrini.

A seconda di come vengono prodotti artificialmente...

NEUTRINI DA ACCELERATORI DI PARTICELLE Gli acceleratori di particelle sono in grado di produrre e accelerare particelle cariche. Facendo collidere i protoni accelerati da un acceleratore con uno strato compatto di materiale si producono neutrini e/o antineutrini di diversi sapori. NEUTRINI DA REATTORI NUCLEARI Durante le reazioni di fissione nucleare che avvengono all’interno di un reattore nucleare vengono prodotti, oltre a neutroni ed altri prodotti di fissione, anche antineutrini elettronici.

COME SI RIVELANO...

La rivelazione (o cattura) di un neutrino è estremamente difficile. Per quanto riguarda i neutrini prodotti artificialmente si costruiscono speciali rivelatori che vengono posti nelle vicinanze delle sorgenti (un reattore o un acceleratore di particelle) dove il numero di neutrini è così elevato che almeno qualcuno di essi viene catturato nel rivelatore. Per i neutrini di origine naturale bisogna costruire rivelatori con massa molto grande in un ambiente in cui solo i neutrini possano giungere, per eliminare ogni altra possibile particella che si possa confondere con un neutrino. Gli esperimenti vengono quindi costruiti sotto terra in miniere o in tunnel autostradali. La roccia e la terra sovrastante bloccano tutte le particelle tranne i neutrini. Ci sono diversi tipi di rilevatori di neutrini: i rivelatori al cloro, i rivelatori al gallio, i rivelatori ad acqua pura ed i rivelatori ad acqua pesante.

deve possedere per essere rivelato) è pari a 814 keV. Rivelatori al cloro I rivelatori al cloro consistono di serbatoi riempiti di tetracloruro di carbonio. In questi rivelatori un neutrino converte un atomo di cloro in uno di argon. Il fluido viene periodicamente purgato con dell'elio che rimuove l'argon. La quantità di atomi di Ar prodotta viene misurata tramite l'attività radioattiva del gas estratto (l'isotopo 37 dell'argon decade in cloro con un'emivita di 35 giorni). Lo svantaggio di questi rivelatori consiste nel fatto che non è possibile determinare la direzione del neutrino incidente, né la sua energia: l'unica informazione è il flusso medio, per di più su periodi dell'ordine del mese. Fu il rivelatore al cloro di Homestake, South Dakota, contenente 520 tonnellate di C2Cl4, che rilevò per primo il deficit di neutrini provenienti dal sole e portò al problema dei neutrini solari. Questo tipo di rivelatore è sensibile solo ai neutrini elettronici. L'energia di soglia della reazione utilizzata in questi rivelatori (la minima energia che il neutrino incidente deve possedere per essere rivelato) è pari a 814 keV.

Rivelatori al gallio I rivelatori al gallio sono simili a quelli al cloro dal punto di vista del funzionamento, ma più sensibili ai neutrini a bassa energia. Anche in questo caso non si ottengono informazioni sulla direzione del neutrino. Tra questi rivelatori vale la pena di citare quelli utilizzati nell'esperimento GALLEX (GALLium EXperiment) , poi diventato GNO (realizzato in Italia nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN situati nel traforo del Gran Sasso per osservare accuratamente il flusso di neutrini elettronici provenienti dal Sole. Tale esperimento è stato il primo al mondo a riuscire in questo intento).

Rivelatori ad acqua pura I rivelatori ad acqua pura (come il Super-Kamiokande) contengono una grande massa d'acqua, circondata da rivelatori di luce detti "tubi fotomoltiplicatori". In questi rivelatori, il neutrino trasferisce parte della sua energia ad un elettrone, che in seguito all'urto si muove più velocemente di quanto faccia la luce in acqua (ma in ogni caso non più velocemente della luce nel vuoto). Questo genera una emissione ottica (in luce visibile) conosciuta come radiazione Cherenkov che può essere rivelata dai tubi fotomoltiplicatori. Questo rivelatore ha il vantaggio che il neutrino viene registrato in tempo reale ed è possibile raccogliere informazioni sulla sua traiettoria. Fu questo tipo di rivelatore che registrò il flusso di neutrini provenienti dalla Supernova esplosa nel 1987. Questo rivelatore è sensibile a tutti i tipi di neutrino. Uno svantaggio di questa tipologia di rivelatori consiste nell'elevata soglia (circa 5 Mev) in energia, dovuta all'impossibilità di rivelare l'emissione da elettroni colpiti da neutrini d'energia troppo bassa.

Rivelatori ad acqua pesante I rivelatori ad acqua pesante usano tre tipi di reazione per rivelare i neutrini. La prima è la stessa dei rivelatori ad acqua pura. La seconda implica la collisione del neutrino con un atomo di deuterio, con il conseguente rilascio di un elettrone. Nella terza il neutrino spezza in due l'atomo di deuterio. I risultati di queste reazioni vengono rivelati dai "tubi fotomoltiplicatori". Questo tipo di rivelatore opera al Sudbury Neutrino Observatory ed è in grado di rivelare tutti e tre i tipi di neutrino.

esperimento OPERA: Ottobre 2007 Un importante esperimento è stato condotto dal Cern di Ginevra in collaborazione con i Laboratori del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Milioni di neutrini sono stati prodotti negli acceleratori del Cern e poi lanciati verso i laboratori sotterranei del Gran Sasso dell’ INFN, verso il sito dell’esperimento “Opera” ad una distanza di 730 km, che i neutrini hanno percorso sottoterra in circa 2.4 millisecondi (muovendosi ad una velocità di centinaia di migliaia di chilometri orari). Arrivati a destinazione i neutrini sono stati fotografati dalla più sofisticata macchina fotografica del mondo. Tale esperimento è utile per studiare il fenomeno dell’oscillazione di sapore : tra alcune migliaia di queste particolari “foto di neutrini” si cercano alcuni eventi speciali che indichino l’interazione del neutrino tauonico, non presente inizialmente nel fascio proveniente dal CERN che è formato solo da neutrini muonici. Altre prove a favore della teoria dell’oscillazione dei neutrini sono state raccolte in sei anni di attività dal Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND), che verranno elaborate ulteriormente al Fermilab dal rivelatore MiniBooNE (consistente in un enorme contenitore criogenico contenente 170 tonnellatedi argon liquido).

ALCUNE DATE FONDAMENTALI: 1956 Scoperta sperimentale del neutrino (neutrino elettronico) 1962 Scoperta di un altro tipo di neutrino (neutrino muonico) Pontecorvo: ipotesi delle oscillazioni di neutrino 1973 Scoperta delle correnti neutre indotte da neutrini 1991 Acceleratore LEP: prova indiretta di soli 3 tipi di neutrino 1995-1999 Deficit dei neutrini solari e atmosferici 2000 Scoperto il terzo neutrino (neutrino tauonico)

Martina Brignolo e Elisa Salvi Realizzato da: 5^E