I neutrini nella fisica delle particelle elementari Alessandro Iannucci

Che cos’è il neutrino Il neutrino in fisica delle particelle elementari è rappresentato dalla lettera greca “” Il neutrino appartiene alla famiglia dei leptoni

Quali sono le particelle elementari? Elementare non significa “semplice”, ma “costituite solo da se stesse” Ricorda l’ di Democrito (indivisibile!) Il protone e il neutrone, per esempio, non sono particelle elementari L’elettrone invece, è una particella elementare

Ancora sulle particelle elementari I quark Non esistono liberi* ma solo in coppie (Mesoni) e in terzetti (Barioni) *(almeno fino ad oggi non sono stati osservati) I leptoni Esistono liberi e non esistono in coppie o in terzetti I bosoni di gauge Sono gli intermediari delle forze

Sulle particelle NON elementari Adroni Barioni: Mesoni:

Sui bosoni di gauge Sono i portatori delle forze In fisica subatomica esistono 3 forze fondamentali FORZE PARTICELLE Elettromagnetica fotone Debole bosoni massivi (W-, W+ Zo) Forte (adronica) gluoni unificate I neutrini risentono solo la forza debole!

Torniamo al neutrino Come mai non c’è una foto del neutrino?? Il neutrino: È neutro Ha una massa molto piccola Ha uno spin ½ È un fermione (come i barioni e i leptoni) Ha interazione estremamente debole con la materia

Quali sono le sorgenti dei neutrini? 1-L’Universo Il Big Bang 102 neutrini/cm3 nell’attuale Universo Le Supernovae Il Sole Da quando ho iniziato a parlare nelle vostre teste sono passati (senza interagire) circa un miliardo di milioni di neutrini solari (I1010 neutrini/s/cm2) I raggi cosmici interagenti con l’atmosfera

Quali sono le sorgenti dei neutrini? 2- L’uomo Le reazioni nucleari Decadimenti, fissioni, fusione… Acceleratori di particelle Noi stessi Conteniamo una piccola quantità di Potassio (2 10-3 g), che è un elemento radioattivo che emette 3 108 neutrini al giorno

Il neutrino “nasce” nel 1930 Suo “padre” è W. Pauli Nel decadimento  si è osservato uno spettro energetico incompatibile con un decadimento “a due corpi” Doveva esistere per forza un’altra particella (all’epoca invisibile) che portava con sé parte dell’energia iniziale

I neutrini sono tutti uguali? Abbiamo visto che esistono almeno 3 tipi di neutrini Inoltre sappiamo che potrebbero esistere anche le 3 antiparticelle dei 3 neutrini… sapori

Esiste l’antineutrino? Conosciamo l’antimateria: Positrone Antiprotone… Ma esiste l’antineutrino? È uguale al neutrino?

Il neutrino deriva dal decadimento  Se il neutrino fosse uguale all’antineutrino Sperimentalmente si è osservato che neutrino e antineutrino non sono la stessa particella

I neutrini muonici furono utilizzati per bombardare l’alluminio Bruno Pontecorvo Sperimentalmente si è osservato che i neutrino che derivano dal decadimento  differiscono dai neutrini provenienti dal modo principale di decadimento del  I neutrini muonici furono utilizzati per bombardare l’alluminio e non elettroni!!!

Un esperimento storico sul  1958: M. Goldhaber misura l’elicità del  Goldhaber M. et al., 1958, Phys Rev 109 (1015) L’elicità del neutrino ( ) è il prodotto scalare tra spin e impulso Goldhaber misurò elicità pari a –1 Misure analoghe hanno mostrato che l’antineutrino ha elicità pari a +1 Avere elicità definita significa andare alla velovità della luce (c) Il problema rimane aperto!!

Che significa oscillazione? Si ha una oscillazione pura ogni volta che un punto materiale si muove secondo una legge sinusoidale x= posizione; A=ampiezza; w=frequenza; t=tempo Esempi : moto di una molla o di un pendolo

Le oscillazioni non pure Sono tutte quelle oscillazioni in cui non è presente una unica frequenza, ma uno “spettro” di frequenze. Il tipico esempio è il suono: il diapason dà il “la” puro; un accordo di chitarra dà uno spettro di frequenze legate ai differenti suoni.

I pendoli accoppiati Consideriamo 2 pendoli accoppiati con una molla Metto in oscillazione il primo con la sua frequenza Dopo un po’ di tempo il primo pendolo diminuisce la sua ampiezza di oscillazione e il secondo pendolo inizia a mettersi in modo Dopo un po’ di tempo il primo pendolo termina la sua oscillazione e il secondo pendolo arriva all’ampiezza massima Al diminuire dell’oscillazione del secondo pendolo, aumenta l’oscillazione del primo… …e così via…

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

Conclusione L’oscillazione del primo pendolo si MESCOLA con l’oscillazione del secondo pendolo!! Dopo un certo tempo si ha PROBABILITA’ che dipende dal tempo di trovare l’oscillazione del primo o del secondo pendolo (o mischiata)

Pendolo x e pendolo y accoppiati

Pendolo x e pendolo y accoppiati

Erwin SCHRÖDINGER Fisico austriaco. Il comportamento ambivalente di onda e corpuscolo è una proprietà generale della materia e della radiazione

Erwin SCHRÖDINGER Sia la materia che l'energia sono costituite da particelle la cui posizione non si può stabilire deterministicamente, ma soltanto in maniera probabilistica, attraverso una funzione d'onda da lui stesso introdotta. Il gatto di SCHRÖDINGER

Il gatto di SCHRÖDINGER “…E' vivo o morto il gatto di Schrodinger? Possiamo conoscere la sua sorte senza guardare nella scatola in cui si trova? Per rispondere alle domande poste dal paradosso fisico di Schrodinger siamo costretti a riflettere sui concetti di casualità e di realtà oggettiva messi in crisi dalla più sconcertante teoria del Novecento: la teoria dei quanti….” di Ignazio Sardella

Il gatto di SCHRÖDINGER dove è il gatto? La funzione d’onda gode del principio di sommatività! Da un punto di vista PROBABILIATICO il gatto è sia nella scatola verde che in quella rossa

Il gatto di SCHRÖDINGER Collasso della funzione d’onda

Il gatto di SCHRÖDINGER-2 versione originale il gatto è vivo o è morto?

Oscillazione dei neutrini Condizioni necessarie: 1) 0 2) m20

Oscillazione dei neutrini Si mescolano i sapori!!

Conferme sperimentali 1968: dal Sole arrivano circa il 35% dei e aspettati (Davis) 2002: i e prodotti dal Sole arrivano sulla Terra al 35% come e e per la restante parte come  e  (SNO- Sudbury Neutrino Observatory) 2004: il numero di e prodotto da reattori nucleari è minore di quello aspettato ad una distanza di circa 100 km

Super-Kamiokande Osservazioni consistenti per i neutrini muonici (prodotti negli strati superiori dell'atmosfera dai raggi cosmici) che si trasformano in neutrini tau. Interno del rilevatore, dove i tecnici manutengono i tubi foto moltiplicatori usando una barca che naviga nell'acqua pura. L'acqua viene usata a causa del suo eccellente rapporto corti/indice di rifrazione Un tipico evento neutrinico al Super-K

K2K KEK Super K   Si è osservato un numero di  Inferiore (compreso l’errore) a quelli partiti da KEK

L’ultima frontiera: l’esperimento in Italia Nel CERN di Ginevra verranno prodotti neutrini muonici e diretti verso l’osservatorio INFN del Gran Sasso. Il fascio di  percorrerà circa 730 km. Nei laboratori INFN verranno misurati i , che non erano stati prodotti a Ginevra.

Bibliografia Wikipedia, I neutrini solari http://it.wikipedia.org/wiki/Super-Kamiokande Dispense di Fisica Superiore, A.A. 1996-1997, Tor Vergata Dispense di Fisica delle Particelle Elementari, A.A. 1997-1998, Tor Vergata http://www.phys.uniroma1.it/DOCS/WEBLED/orientamento.htm