Che cos’è il neutrino? Un fantasma da Nobel Lucia Votano NB: V = lettera greca, si legge ‘ni’ è, in Fisica, il simbolo del neutrino

Un fantasma da Nobel http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/

Polkowice-Sieroszowice PYHÄSALMI Polkowice-Sieroszowice BOULBY SNO SOUDAN SUL(Solotvina) LSM KAMIOKA BNO LSC Y2L HOMESTAKE UNIREA LNGS OTO-Cosmo Laboratori sotterranei nel mondo

Un fantasma da Nobel Che cos’è un neutrino? Invisibili fantasmi ci circondano, ci attraversano numerosissimi e si aggirano per tutto l’Universo: Sono i neutrini Che cos’è un neutrino? Cos’è l’oscillazione del neutrino?

Di cosa è fatto il mondo? Rodin “Il Pensatore”

Antiche domande Cosa c’è nell’Universo? Di cosa è fatto e cosa lo tiene insieme? Qual’è la sua origine? E’ immutabile o cambia nel tempo? Quale il suo destino futuro? Se scomponiamo la natura in parti sempre più piccole o la osserviamo con un microscopio sempre più potente, cosa vediamo? E’possibile arrivare ai “mattoni” fondamentali (elementari) della materia?

Antiche domande: I filosofi presocratici Democrito di Abdera (Δημόκριτος) (460 a.C. –360 a.C.), Democrito (460-370 a.C) L’atomo di Democrito 'l mondo a caso pone “ Gli atomi sono eterni e immutabili, esistono in varie forme e sono animati da un continuo movimento nello Spazio Vuoto” 1635 Peter Paul Rubens (1577-1640) Museo del Prado, Madrid

La Scienza moderna 13 marzo 1610 Galileo Galilei

Che cosa hanno in comune?

Il mondo intorno a noi e l'intero Universo sono popolati da una grande diversità di forme di materia, ma questa grande varietà è composta da pochi e relativamente semplici mattoni fondamentali. I quark e l’elettrone sono i mattoni fondamentali di cui è costituita la matera ordinaria stabile

Le forze fondamentali della natura

Le particelle elementari e le interazioni Il Modello Standard e il Bosone di Higgs

La radiazione elettromagnetica interagisce con il nostro corpo e vi deposita la sua energia (es: il Sole ci scalda...) I neutrini hanno una bassissima probabilità di interazione e ci trapassano senza rilasciare energia Spessore di acqua per bloccare un neutrino= 1.5 x 1021 cm = 1585 anni luce...

La teoria è stata formulata da Bruno Pontecorvo già nel 1957 I neutrini durante il loro viaggio nell’universo possono trasformarsi da un tipo al’altro, cambiando identità! Questo fenomeno è chiamato OSCILLAZIONE dei neutrini La teoria è stata formulata da Bruno Pontecorvo già nel 1957 Grazie alla sua osservazione abbiamo capito che i neutrini hanno una massa!

Il neutrino è una particella elementare neutra Esistono tre tipi di neutrini dotati di 3 differenti “cariche” dette “sapori” Ha una massa così piccola (≈10-36Kg) che l’uomo non ha ancora costruito una bilancia capace di pesarlo Neutrini e fotoni sono le particelle più diffuse nell’universo di materia conosciuta Electron neutrino Muon neutrino Tau neutrino

Oscillazione dei neutrini Per spiegare il fenomeno dell’oscillazione dei neutrini abbiamo bisogno della meccanica quantistica In meccanica quantistica una particella è equivalente a un’onda I tre neutrini ne, nm, nt sono una mescola di tre stati (tre onde) di massa definita che chiamiamo n1, n2, n3 In modo speculare i tre n1, n2, n3 sono una mescola dei tre stati di “sapore” definito ne, nm, nt Due pendoli accoppiati I sapori si mescolano

Oscillazione dei neutrini (cont) Il “sapore” del neutrino (elettrone, muone o tau) è definito solo al momento della creazione o della rivelazione, rimane indefinito nella propagazione nello spazio e nel tempo Viaggiando nello spazio e nel tempo, i tre neutrini di massa definita si muovono a velocità diverse e quindi la mescola cambia in modo oscillante. Un può trasformarsi in un Un può trasformarsi in un Se il fenomeno delle oscillazioni esiste i neutrini devono avere una massa e tra loro diversa L’oscillazione misura solo le differenze di massa

Oscillazione dei neutrini Art McDonald Takaaki Kajita

Il Puzzle dei neutrini

I neutrini solari Il Sole Nel nucleo del Sole centinaia di milioni di tonnellate di Idrogeno al secondo sono bruciate e convertite in elio, con un rilascio di energia sotto forma di fotoni, la luce che ci illumina e ci scalda, e di neutrini. Solamente i neutrini riescono a uscire immediatamente dalla materia molto densa del nocciolo del Sole, i fotoni rimangono intrappolati all’interno per centinaia di migliaia di anni. Con i neutrini siamo in grado di scrutare la parte più interna del Sole mentre utilizzando la radiazione elettromagnetica possiamo osservarne solo la parte più superficiale.

Lo spettro dei neutrini solari MeV

Le oscillazioni dei neutrini solari (1960) R. DAVIS miniera di Homestake- Sud Dakota USA (Davis Nobel 2002) (1989) Kamiokande Miniera Kamioka -Giappone (1992) Gallex/GNO Laboratori del Gran Sasso – Italia (2000) SuperKamiokande Miniera Kamioka – Giappone (2001) SNO Miniera Creighton Sudbury – Canada (Art McDonald Nobel 2015) (2004) Borexino Laboratori del Gran Sasso – Italia

L’esperimento SNO Profondità 2 Km Sfera geodetica in acciaio di diametro 17.8 m 10000 fotomoltiplicatori Sfera interna materiale acrilico contenente 1000 tonnellate di acqua pesante Possibilità di misurare i neutrini di tutti i “sapori”

I neutrini atmosferici La terra è continuamente colpita da particelle provenienti dallo spazio: I raggi cosmici primari Nell’impatto con l’atmosfera producono uno sciame di particelle, una pioggia incessante che arriva sino alla superficie

Cern-Neutrino-Gran-Sasso (CNGS) Neutrini prodotti dall’uomo con gli acceleratori di particelle Cern-Neutrino-Gran-Sasso (CNGS) Il fascio di neutrini prodotti a Ginevra nel complesso di acceleratori del CERN e inviato al Laboratorio del Gran Sasso passando sotto la crosta terrestre per 730 Km

Oscillazioni dei neutrini atmosferici e con fasci di neutrini artificiali da acceleratori (Anni 80) Gli esperimenti IMB–USA, Kamiokande–JP, Nusex–IT mostrano primo deficit di neutrini muonici atmosferici (1989) Inizia esperimento MACRO al Gran Sasso IMB e Kamiokande sembrano escludere oscillazioni Primo progetto dettagliato CNGS approvato poi nel 1999 (1998) SuperKamiokande conferma deficit e annuncia scoperta oscillazione neutrini atmosferici (T. Kajita Nobel 2015) Macro conferma deficit e oscillazioni neutrini atmosferici (2006) MINOS, T2K,…. confermano (2015) OPERA-LNGS annuncia scoperta “diretta” delle oscillazioni

L’esperimento SuperKamiokande Tanica in acciaio 39 x 42 m 50000 tonnelate acqua 13000 fotomoltiplicatori Effetto Cerenkov

Da dove altro vengono i neutrini? Dal Big Bang, dalle stelle, dai raggi cosmici, dalla nostra stessa Terra, dalle centrali nucleari e dagli acceleratori di particelle e non solo...

Da dove vengono i neutrini? La Terra I decadimenti radioattivi sono accompagnati dall’emissione di (anti) neutrini che chiamiamo geoneutrini che, arrivando indisturbati dal mantello e dalla crosta terrestre, possono fornirci utili informazioni sui meccanismi di produzione e trasporto del calore negli strati più profondi che governano la dinamica terrestre. Quattro miliardi di anni fa la Terra era ancora molto calda e costituita da oceani fluidi di magma. Tra le diverse cause delle altissime temperature primordiali della terra c’è anche l’energia rilasciata nei decadimenti di alcuni isotopi radioattivi presenti all’interno della Terra.

Da dove vengono i neutrini? Supernovae L’ultimo sospiro di una stella che muore è fatto di neutrini. Questo catastrofico evento che va dal collasso fino all’esplosione della stella si esaurisce al massimo in qualche decina di secondi durante i quali un violento fiotto di neutrini viene emesso in tutte le direzioni nello spazio.

Da dove vengono i neutrini? Il Big Bang e i neutrini più antichi Età dell’Universo 13,8 miliardi di anni La prima luce dopo 380000 anni Le prime stelle dopo 500 milioni di anni Ben prima della luce, a un decimillesimo di secondo dal Big Bang, i neutrini sono apparsi nell’Universo. Trascorso un secondo, il brodo primordiale si è raffreddato abbastanza perché essi potessero muoversi liberi e oggi, dopo quasi quattordici miliardi di anni, sono numerosissimi. (330 neutrini per centimetro cubo in tutto l’Universo)

Da dove vengono i neutrini? Neutrini astrofisici NGC 5128 Centaurus A Neutrini di altissima energia (> 1012 eV) sono prodotti dentro la nostra galassia e in tutte galassie da mostruosi oggetti cosmici quali i Nuclei di Galassie Attive (AGN), Lampi di luce Gamma (GRB), Pulsar, etc.. che agiscono come dei giganteschi acceleratori di particelle. La nascita dell’astronomia neutrinica ha inaugurato un nuovo modo di osservare il cielo

Da dove vengono i neutrini? Neutrini prodotti dall’uomo Le centrali nucleari a fissione nucleare sono sorgenti controllate di un copioso flusso di antineutrini che sono utilizzati dai fisici per studiarene le caratteristiche.

Conclusioni I neutrini sono un argomento di grande attualità e interesse per i fisici di tutto il mondo. Il Premio Nobel 2015 lo testimonia. Le oscillazioni dei neutrini hanno dimostrato che i neutrini hanno massa. Il Modello Standard delle particelle e delle interazioni ha mostrato i suoi limiti e va esteso

Conclusioni Molto rimane ancora da scoprire.. Per esempio non sappiamo se il neutrino coincide con la sua antiparticella come ipotizzato da Ettore Majorana Il saperne di più ci aiuterà a capire meglio sia il mondo infinitesimo delle particelle subnucleari, sia la nascita e evoluzione dell’universo.