Il premio Nobel 2002: nuovi modi per guardare il cielo Una presentazione preparata da Filippo Frontera (per la parte riguardante i raggi X) e da Gianni Fiorentini (per la parte riguardante i neutrini)

Il premio Nobel 2002: nuovi modi per guardare il cielo Riccardo Giacconi “per contributi pioneristici all’astrofisica,che hanno condotto alla scoperta delle sorgenti cosmiche di raggi X” Ray Davis e Masatoshi Koshiba “per contributi pioneristici all’astrofisica, in particolare per la rivelazione dei neutrini cosmici”

C’e’ modo e modo di vedere: la luce visibile Sorgente di radiazione Interazione Rivelatore (occhio)

C’e’ modo e modo di vedere: i raggi X Se voglio vedere all’interno uso una radiazione più penetrante ancora una radiazione e.m Rivelatore (lastra ....occhio)

C’e’ modo e modo di vedere: il neutrino Radiazione diversa Il rivelatore e’ ancora più complicato...

Carta di Identità del neutrino Particella, associata a un tipo di radiazione Nascita: 1930 Maternità/Paternità: Pauli Fermi (Pontecorvo) Residenza: quasi ovunque Provenienza: stelle, reattori nucleari, acceleratori di particelle... Segni particolari: Estremamente elusiva (penetrante) Massa: “estremamente piccola”, rispetto alle altre particelle

Underground physics Per rivelare una radiazione elusiva, penetrante, occorre schermarsi dalle altre radiazioni

Davis: un formidabile esperimento di radiochimica Sole n Cl cont. Davis cercava i prodotti delle reazioni nucleari indotte dai neutrini provenienti dal sole: n+ 37Cl -> 37Ar + e (reazione di Pontecorvo). L’ Argon prodotto si accumula nel rivelatore. Gli atomi di 37Ar sono radioattivi e entro un mese si trasformano in 37Cl:37Ar + e ->n+ 37Cl Occorre separare gli atomi di Ar dal Cl e contarli, mediante il loro decadimento.

Un ago in un pagliaio? In 400 tonnellate di varechina Davis doveva aspettarsi di produrre un atomo di Ar al giorno, da individuarsi fra i circa 1031 atomi*) di Cloro Un pagliaio contiene circa 108 pagliuzze (cento milioni). E’ come cercare un ago in un pagliaio grande come la terra. *) 1031 =1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 0

La scoperta e il puzzle dei neutrini solari Davis trovò un atomo di Ar ogni tre giorni, un terzo di quelli attesi. Un risultato importante: la prima osservazione dei neutrini provenienti dal Sole Un interrogativo importante: che succede ai neutrini per strada? Il puzzle dei neutrini solari è stato sostanzialmente risolto negli ultimi anni, grazie ai risultati di Gallex al Gran Sasso, di SNO in Canada e ai lavori del gruppo di Koshiba. Si e’ormai convinti che due terzi dei neutrini abbiano una metamorfosi per strada (oscillazioni di Pontecorvo).

Koshiba: il primo telescopio a neutrini Davis non poteva dire da dove venivano i neutrini. Koshiba pensò di realizzare un “telescopio”rivelando gli elettroni che vengono urtati dai neutrini n+ e(fermo) -> n + e( in moto) L’elettrone viene emesso principalmente nella direzione da cui proviene il neutrino Poiché la sua velocità è maggiore della velocità della luce nell’acqua, emette luce “Cerenkov”, dalla cui distribuzione si puo’risalire alla direzione dell’elettrone e a quella del neutrino

Kamiokande e SuperKamiokande Una famiglia di rivelatori Cerenkov ad acqua in una miniera delle Alpi giapponesi. Il più recente, SK, contiene 20.000m3 d’acqua ed è equipaggiato con oltre 10.000 fototubi

Superkamiokande

I risultati I) La conferma di Davis: I neutrini vengono dal sole ii) La rivelazione dei neutrini dalla Supernova SN1987a iii) L’oscillazione dei “neutrini atmosferici”

Il cuore del rivelatore Sono i fototubi sviluppati appositamente dalla Hamamatsu Il MITI finanziò un progetto di sviluppo tecnologico congiunto della Hamamatsu e dell’Università Metropolitana di Tokio Il Giappone ha oggi un premio Nobel e l’industria leader mondiale della produzione di fototubi. 50 cm

Koshiba e il Gran Sasso Il laboratorio del silenzio cosmico La frontiera della radioattività zero Koshiba, membro del Comitato Scientifico del Gran Sasso, aveva suggerito di installare un rivelatore Cerenkov (SK) al Gran Sasso e l’allora Direttore Bellotti aveva compreso la validità del progetto.

Bruno Pontecorvo Tre grandi idee: i)il sole come sorgente di neutrini ii) il metodo del Cl-Ar iii)Le oscillazioni (metamorfosi) dei neutrini

Uno sguardo al futuro Nel 1940 Pontecorvo aveva applicato gli studi svolti nel gruppo di Roma inventando il “neutron log”uno strumeno ancora oggi usato per le prospezioni geologiche. Adesso che abbiamo imparato a sufficienza sui neutrini, dobbiamo cercare di imparare dai neutrini

La materia oscura nell’universo All’interno delle galassie e fra le galassie c'è della materia (ed energia) che non brilla, oscura. La “materia-energia” oscura costituisce il 90% dell’Universo, ma non sappiamo di che e’ fatta. La materia oscura potrebbe essere fatta di i neutrini primordiali, se i neutrini hanno una piccola massa [ m(n)=10-6m(e)]

I neutrini da supernovae Lo 0.1% dell’energia di una supernova e’ in radiazione visibile, e il 99.9% e’ trasportato da neutrini Nel 1987, per la prima volta sono stati rivelati neutrini da SN I neutrini da SN saranno lo strumento per lo studio della struttura interna

I neutrini della Terra La terra e’ radioattiva Quanto e’ il contenuto di elementi radioattivi all’interno della terra? Rivelare (anti) neutrini prodotti dall’interno terrestre e’ il modo per misurare la “radioattività” della terra. In questo modo potremo comprendere il contributo radiogenico al calore terrestre.

Kamland (Jap) e Borexino (GS) Progettati per rivelare neutrini dal sole e da reattori avranno anche i primi segnali dei geo-neutrini.

Riccardo Giacconi Riccardo Giacconi, nato a Genova nel 1931, laureato a Milano nel 1954, attualmente Presidente della Associated Universities Inc., Washinghton DC, USA Motivazione: “for pioneering contributions to astrophysics, which have led to the discovery of cosmic X-ray sources”

Come osservare i raggi X celesti

1962: scoperta della prima sorgente celeste di raggi X

1969: il primo satellite per astronomia X Il satellite Uhuru (“libertà“ in lingua Swahili) venne lanciato dalla base italiana San Marco in Kenia

Il cielo X scoperto con Uhuru

1979:lancio del satellite “Einstein”

Il Satellite Einstein

Le prime ottiche per raggi X

Le scoperte degli anni ‘70-’80

Informazioni dai raggi X provenienti dagli oggetti celesti Diagnosi della presenza di stelle di neutroni e buchi neri in sistemi binari. Rotazione delle stelle di neutroni;

I resti di supernove in raggi X Cas A Crab Nebula CXO images

Diagnosi della presenza di getti di materia SS433 XTE J1550 CXO image

Il mondo extragalattico in raggi X Quasar PKS 1127-145 CXO images

Ammasso di galassie nel Centauro A una distanza di 170 milioni di anni luce. Il gas ha una temperatura di oltre 10 milioni di gradi CXO image

Il mistero dei lampi di raggi gamma (GRB) Scoperti nel 1972 con i satelliti spia americani Vela, sono rimasti misteriosi fino a pochi anni fa.

Che cosa si sapeva/non si sapeva fino al 1996 sui GRB Vengono da tutte le direzioni. In media tre al giorno colpiscono la Terra Dove vengono prodotti: sono vicini? galattici? cosmologici? Qual’e’ l’origine?

BeppoSAX il satellite italiano, con partecipazione olandese

28 febbraio1997: SAX risolve l’enigma della distanza BeppoSAX image

Oggi sappiamo molto sui GRB, ma... molte questioni sono ancora da risolvere: Stiamo osservando delle esplosioni isotrope? Oppure si tratta di getti ben collimati che puntano verso di noi?

INTEGRAL: il futuro è gia’ cominciato Baikonur, 17 Ottobre 2002 Orbita fortemente ellittica, con perigeo a 10.000 Km, e apogeo a circa 150.000 Km.

Il ruolo di Ferrara in INTEGRAL Partecipazione al progetto e realizzazione di JEM-X Calibrazione di JEM-X Definizione del programma osservativo di INTEGRAL

Oltre INTEGRAL Partecipazione a missione “Lobster” a bordo della Stazione Spaziale Partecipazione a missione X cinese

Sviluppo di ottiche per raggi X di alta energia Grande facility per la calibrazione di telescopi focalizzanti di raggi X e gamma