Neutrini nel Cosmo Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Milano AEC and LHEP dell’Università di Bern Introduzione Le Astronomie Particelle e Neutrini Sorgenti di Neutrini Neutrini dal Cosmo 4/25/2017 Planetario di Milano

e in particolare i neutrini ! 1. Introduzione Introduzione Le Astronomie Particelle e Neutrini Sorgenti di Neutrini Neutrini dal Cosmo Astronomia (ἀστρονομία) secondo la definizione: lo studio e la misura dei corpi celesti (gli astri). Tradizionalmente eseguito con metodi ottici. Le stelle si guardano ! O con metodi in ogni caso basati su radiazione elettromagnetica (visibile o no) Ma ora, che abbiamo imparato a conoscere le particelle subnucleari… Possiamo fare nuove astronomie, studiando particelle che vengono dagli astri ! e in particolare i neutrini ! 4/25/2017 Planetario di Milano

Particelle elementari ? Ossigeno Idrogeno Materia: composta da costituenti fondamentali: Molecole, Atomi, Nuclei Molecole: costituenti della materia Ipotizzate per comprendere la Chimica Leggi di Dalton e di Avogadro (1803-1811) A loro volta le Molecole sono composte da Atomi Atomo = Nucleo, Elettroni L’Elettrone: una particella davvero elementare 4/25/2017 Planetario di Milano

A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da: I quark (costituenti un protone o un neutrone) sono particelle elementari quark PROTONE quark quark Le particelle “elementari” sono quelle che costituiscono tutte le altre e che non hanno una loro struttura interna. Sono i mattoni costruttivi dell’Universo 4/25/2017 Planetario di Milano

Decadono in particelle stabili Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Materia ordinaria Sono elementari al meglio di 10-18 m Hanno spin e carica ben definiti Costituiscono la materia in condizioni ordinarie Massa Costituiscono le particelle instabili Decadono in particelle stabili 4/25/2017 Planetario di Milano

Interazioni tra Particelle elementari Interazioni Gravitazionali Interazioni Nucleari Forti Interazioni Elettromagnetiche Interazioni Nucleari Deboli 4/25/2017 Planetario di Milano

Un esempio semplice: l’atomo di deuterio Interazioni elettromagnetiche Interazioni forti 10-15 m Quark: Cariche frazionarie Spin semi-intero 10-10 m Quark, elettroni e fotoni sono i Costituenti Fondamentali dell’Atomo 4/25/2017 Planetario di Milano

prendere particelle cariche Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle. Ricetta: prendere particelle cariche accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori) farle urtare tra loro Tunnel di LHC, CERN (Ginevra) Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa Planetario Milano - 20/11/2012

Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori: CMS al CERN di Ginevra Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati CDF al Fermilab (Chicago) ATLAS al CERN di Ginevra Planetario Milano - 20/11/2012

Sono astronomie che usano lo stesso tipo di «messaggero» 2. Le Astronomie Introduzione Le Astronomie Particelle e Neutrini Sorgenti di Neutrini Neutrini dal Cosmo Diversi tipi di Astronomie : Astronomia Ottica Astronomia Infrarossa Astronomia a microonde Radioastronomia Astronomia X Astronomia Gamma quella tradizionale Sono astronomie che usano lo stesso tipo di «messaggero» 4/25/2017 Planetario di Milano

Le astronomia con fotoni, radiazione elettromagnetica 4/25/2017 Planetario di Milano

Astronomia ottica (esempio) L’Astronomia dei grandi telescopi ottici (anche nello spazio, come Hubble) Keck Riflettori da 3 m Keck a Mauna Kea (Hawaii) 4/25/2017 Planetario di Milano

La scoperta della Radiazione Infrarossa (William Herschel,1800) Astronomia infrarossa (esempio) La scoperta della Radiazione Infrarossa (William Herschel,1800) Immagine infrarossa della Nebula Carina osservata dalla Wide Field Camera 3 dello Hubble Telescope. Lo spettro infrarosso è fortemente assorbito dall’atmosfera, rendendo spesso necessaria la rivelazione nello spazio. 4/25/2017 Planetario di Milano

Astronomia con le microonde (esempio) La radiazione cosmica di fondo è una delle prove del Modello del Big Bang Planck Mappa della radiazione cosmica di fondo ottenuta dal satellite Planck dopo la rimozione dei contributi dovuti a sorgenti locali e dell'anisotropia di dipolo. 4/25/2017 Planetario di Milano

1930: prima rivelazione di radiazione radio dalla Via Lattea Radioastronomia (esempio) 1930: prima rivelazione di radiazione radio dalla Via Lattea Planck Sistema interferometrico VLA, New Mexico M87 nell’ottico e nel Radio 4/25/2017 Planetario di Milano

Astronomia X (esempio) 1962: prima scoperta di radiazione X proveniente da sorgenti cosmiche (Riccardo Giacconi) Planck Molto utile per studiare gli oggetti altamente energetici dell’Universo L’osservazione di uno stesso oggetto astronomico in diverse lunghezze d’onda fornisce una incommensurabile ricchezza di informazioni 4/25/2017 Planetario di Milano

Astronomia Gamma A rigore, si tratta sempre di astronomia con fotoni. Stavolta le energie dei fotoni (> 100 keV) in gioco sono tali da richiedere tecniche di rivelazione che sono tipiche della fisica nucleare. Studio di oggetti astrofisici ad energie estreme : Supernovae, Hypernovae, Pulsars, Blazars, Gamma Ray Bursts. Anche ricerche di Materia Oscura. Nello spazio: INTEGRAL, Fermi Gamma Ray Space Telescope AGILE (un satellite italiano, Agenzia Spaziale Italiana, Istituto Nazionale di Astrofisica, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) Fermi Gamma Space Telescope : astronomia gamma fino a circa 200 GeV E’ una astronomia già ora: vi sono sorgenti gamma note nel Cosmo ! 4/25/2017 Planetario di Milano

Il centro della Galassia visto dal Fermi Gamma Ray Space Telescope 4/25/2017 Planetario di Milano

Il cielo a energie oltre 100 MeV visto da EGRET sul Compton Gamma Ray Observatory (2000) Il cielo a energie oltre 1 GeV visto dal Fermi Gamma Ray Space Telescope (2011) 4/25/2017 Planetario di Milano

3. Particelle e Neutrini Introduzione Le Astronomie Sorgenti di Neutrini Neutrini dal Cosmo Il neutrino: una particella particolare Sono (quasi) privi di massa Sono privi di carica elettrica Non hanno interazioni nucleari forti Compaiono solo in processi nucleari deboli (decadimento beta) 4/25/2017 Planetario di Milano

I neutrini e il Decadimento Beta …diverse modalità di decadimento beta, un fenomeno classico della radioattività naturale Anche: decadimento beta inverso : 4/25/2017 Planetario di Milano

4. Sorgenti di Neutrini n  p + e- + e p + p  d+ e+ + e Introduzione Le Astronomie Particelle e Neutrini Sorgenti di Neutrini Neutrini dal Cosmo 4. Sorgenti di Neutrini Sorgenti stazionarie di neutrini sono : Radioattività naturale (raggi beta e neutrini associati). Dal punto di vista astronomico questa situazione si può realizzare in un PIANETA Reazioni di fusione che coinvolgono decadimenti beta inversi o reazioni simili. Questa situazione può aversi in una STELLA n  p + e- + e p + p  d+ e+ + e 4/25/2017 Planetario di Milano

Reazioni nucleari nel Sole: il ciclo pp 99,77% p + p  d+ e+ + e 0,23% p + e - + p  d + e 3He+3He+2p 3He+p+e++e ~210-5 % 84,7% 13,8% 0,02% 13,78% 3He + 4He 7Be +  7Be + e-  7Li + e 7Be + p  8B +  d + p  3He + 7Li + p ->+ 8B  8Be*+ e+ +e 2 Reazioni nucleari nel Sole: il ciclo pp Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012 23 23

Produzione di energia : al centro del Sole. Energia, fotoni, neutrini Il caso del Sole Produzione di energia : al centro del Sole. Energia, fotoni, neutrini Energia associata ai fotoni: 200 mila anni di tempo per uscire dal Sole ! I neutrini escono dal Sole in 2 secondi ! Energia associata ai neutrini ? Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012 24 24

Principio di rivelazione dei neutrini da sorgenti astronomiche Eν = 862 keV (monocromatico) ΦSSM = 4.8 · 109 ν s-1 cm2 Sezione d’urto  10-44 cm2 (@ 1 MeV) Spettro d’elettrone νe νx Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012 25 25

La misura dei neutrini solari più precisa al mondo: Esperimento Borexino ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012

Produzione di energia : decadimenti radioattivi. Il caso della Terra Produzione di energia : decadimenti radioattivi. Elementi racdioattivi Uranio, Torio, Potassio Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012

Decadimento beta inverso La misura dei geoneutrini: Esperimento Borexino ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso Decadimento beta inverso Reattori Nucleari Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012

Struttura rivelatore Borexino Borexino detector at LNGS Stainless Steel Sphere: 2212 photomultipliers 1350 m3 Scintillator: 270 t PC+PPO in a 150 m thick nylon vessel Water Tank: g and n shield m water Č detector 208 PMTs in water 2100 m3 Nylon vessels: Inner: 4.25 m Outer: 5.50 m 20 legs Carbon steel plates Design based on the principle of graded shielding

Interno del rivelatore Borexino al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso 11 m Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012 30 30

Rivelazione di neutrini (esempio: Laboratorio Gran Sasso) I neutrini sono particelle elementari Nel caso dei Neutrini Solari, raggiungono la Terra in 8 minuti rivelabili per mezzo di urti nucleari con altre particelle Ad esempio: diffusione elastica sugli elettroni del mezzo Gli elettroni (carichi!) lasciano un segnale rivelabile Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012

6. Neutrini dal Cosmo Introduzione Le Astronomie Particelle e Neutrini Sorgenti di Neutrini Neutrini dal Cosmo L’Universo è una sorgente di particelle fin dai suoi primi istanti di vita (Big Bang) Continua ad esserlo per via degli oggetti ad alta energia che lo compongono (AGN, Buchi Neri, Stelle a Neutroni, GRB…) Uno dei più semplici acceleratori cosmici : una pulsar (stella di neutroni rotante) Acceleratore di particelle Pulsar 4/25/2017 Planetario di Milano

La ricerca di neutrini da sorgenti cosmiche : ANTARES al largo della Costa Azzurra. 4/25/2017 Planetario di Milano

…e la risposta di questi rivelatore è una questione «planetaria» (qui Superkamiokande, in una miniera giapponese) 4/25/2017 Planetario di Milano

La ricerca di neutrini da sorgenti cosmiche : ICECUBE al Polo Sud. Rivelatore costituito da sensori di luce distribuiti a grande profondità nel ghiaccio antartico 4/25/2017 Planetario di Milano

ICECUBE : identificazione di Neutrini dal Cosmo ! "Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector," IceCube Collaboration: M.G. Aartsen et al. Science 342, 1242856 (2013). DOI: 10.1126/science.1242856 I primi 28 neutrini cosmici che segnano l’inizio di una nuova «astronomia» 4/25/2017 Planetario di Milano

Il grande vantaggio dei neutrini come «puntatori cosmici» : A causa della loro scarsa propensione a interagire con la materia, possono penetrare regioni dense dello spazio. A causa della loro neutralità elettrica possono propagarsi senza essere deviati dai campi magnetici della nostra galassia (ed extragalattici). 4/25/2017 Planetario di Milano

Riassumendo (terzultima trasparenza): Quali (e quante) Astronomie per studiare il Cosmo ?! Nella sua maturità. Ma con sempre grandi margini di miglioramento (anche se fosse “solo” tecnologico. Ma non lo sarà mai). Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Iniziata e nella sua infanzia/adolescenza. Identificate molte sorgenti gamma. In fase di studio. Deve ancora nascere. Appena nata. Auguri! In fase di studio. Deve ancora nascere. 4/25/2017 Planetario di Milano

Riassumendo (penultima trasparenza): La storia termica dell’Universo 4/25/2017 Planetario di Milano

Grazie per la vostra attenzione Per concludere: uno sguardo al Cosmo intero Le nuove astronomie come radiazioni fossili dell’Universo primordiale: CMB (primi 300,000 anni di storia universale) Neutrini (primi 10 secondi di storia universale) Onde Gravitazionali (primi 10-36 secondi di storia universale) Grazie per la vostra attenzione 4/25/2017 Planetario di Milano