L'Insostenibile Velocità del Neutrino Roberto Ferrari Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Liceo Scientifico Marconi - Parma, 19 novembre 2011.

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1 L'Insostenibile Velocità del Neutrino Roberto Ferrari Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Liceo Scientifico Marconi - Parma, 19 novembre 2011

2 Parma, 19 novembre 2011 2 2 1: i neutrini 2: la produzione 3: la rivelazione Sommario

3 Parma, 19 novembre 2011 3 3 1. i neutrini

4 Parma, 19 novembre 2011 4 4 i Neutrini

5 Parma, 19 novembre 2011 5 5 Neutrini 3 particelle [ ν e, ν μ, ν τ ], neutre, spin ½ massa [ m 1, m 2, m 3 ] << m e n p + e + ν e ipotizzati da Pauli e descritti da Fermi si mescolano (Pontecorvo) in modo strano forse sono ancora più strani (Maiorana) in ogni angolo dell'universo (fondo cosmico): ~400/cm 3 (T ~1.9 K)

6 Parma, 19 novembre 2011 6 6 1896Scoperta della radioattività 1926Problema del decadimento beta 1930Ipotesi di Pauli: nasce il neutrino (chiamato allora neutrone) 1933Fermi lo chiama neutrino; teoria dell'interazione debole 1956Scoperta sperimentale del neutrino (neutrino elettronico) 1962Scoperta di un altro tipo di neutrino (neutrino muonico) 1962Pontecorvo: ipotesi delle oscillazioni di neutrino 1973Scoperta delle correnti neutre indotte da neutrini 1991 Acceleratore LEP: prova indiretta di soli 3 tipi di neutrino 1970-2000Deficit dei neutrini solari e atmosferici 1998Soluzione del problema dei neutrini solari e atm. (oscillazioni) 2000Scoperto il terzo neutrino (neutrino tauonico)

7 Parma, 19 novembre 2011 7 7 Neutrini Solari 4p He + 2eν e Energia ~ MeV ~10 38 neutrini al secondo 60 miliardi attraversano ogni cm 2 della superficie terrestre ogni secondo

8 Parma, 19 novembre 2011 8 8 Neutrini atmosferici pp k/π μν μ μ eν e ν μ

9 Parma, 19 novembre 2011 9 9 SuperNovae Il nucleo della stella collassa in pochi secondi SN1987A: 24 neutrini osservati in 3 esperimenti diversi

10 Parma, 19 novembre 2011 10 sono dentro di noi... Il corpo umano contiene ~20 mg 40 K ogni giorno danno origine a: ~450 milioni di decadimenti ovvero ~450 milioni di neutrini

11 Parma, 19 novembre 2011 11.. ma non si fanno notare Ogni secondo, un uomo è attraversato da: ~400000 miliardi di neutrini dal solari ~50 miliardi di neutrini dalla radioattività delle rocce terrestri ~10-100 miliardi di neutrini da tutte le centrali nucleari mondiali ma in ~100 anni solo 1 interagisce con il nostro corpo Servirebbe un blocco di ferro lungo 10000 miliardi di km per fermarne ~ 50%

12 Parma, 19 novembre 2011 12

13 Parma, 19 novembre 2011 13 Oscillazioni

14 Parma, 19 novembre 2011 14 Oscillazione massima se: Θ (angolo di mixing) ~45

15 Parma, 19 novembre 2011 15 Sono in 3 … Il gioco delle tre carte...

16 Parma, 19 novembre 2011 16 2. la produzione

17 Parma, 19 novembre 2011 17 CERN Tanti diversi acceleratori: PS, SPS,..., LHC Programma di ricerca mirato (ma non esclusivo) alla fisica delle particelle.

18 Parma, 19 novembre 2011 18 il SuperProtoSincrotrone Corrente nei magneti (energia) Corrente di fascio (intensità)

19 Parma, 19 novembre 2011 19 CNGS

20 Parma, 19 novembre 2011 20 dove nascono i Neutrini

21 Parma, 19 novembre 2011 21

22 Parma, 19 novembre 2011 22 i blocchi di partenza...

23 Parma, 19 novembre 2011 23 … la strada per il Gran Sasso Il fascio di neutrini per il Gran Sasso passa sotto il Monte Maggiorasca (confine Parma-Piacenza-Genova)

24 Parma, 19 novembre 2011 24 3. la rivelazione

25 Parma, 19 novembre 2011 25

26 Parma, 19 novembre 2011 26 OPERA

27 Parma, 19 novembre 2011 Target SM1 SM2 Magneti

28 Parma, 19 novembre 2011 Target SM1 SM2

29 Parma, 19 novembre 2011 29 Protoni su Bersaglio (PoT)

30 Parma, 19 novembre 2011 Distribuzione radiale del fascio di ν μ al Gran Sasso Fascio ν μ quasi puro ~ 17 GeV

31 Parma, 19 novembre 2011 31 C.N.G.S. OPERA Al giorno: ~0.2 x 10 18 P.o.T. ~0.3 x 10 18 π/k ~0.1 x 10 18 neutrini in direzione G.S. ~0.1 x 10 12 neutrini in OPERA ~ 25 interazioni ~600 interazioni/10 19 pot/1000 ton

32 Parma, 19 novembre 2011 32 Come si rivelano ? e e p,n,,K... p,n,,K... p,n,,K... Interagiscono raramente, ma quando lo fanno spesso producono il leptone fratello C'è una energia minima necessaria per creare la particella associata: m e = 0.5 MeV m = 106 MeV m = 1770 MeV più alta è l'energia del neutrino, più probabile è l'interazione

33 Parma, 19 novembre 2011

34 34 OPERA 1250 ton piombo/emulsioni fotografiche 8.3kg 10.2 x 12.7 x 7.5 cm Pb Strato di gelatina fotografica 40 μm 1 mm « bersaglio » massivo : lastre di piombo precisione micrometrica : emulsionsioni fotografiche

35 Parma, 19 novembre 2011 35 Lo Spazio Spostamenti registrati in seguito al terremoto (~7cm) Errore sulla misura della distanza (730 km): ~20 cm

36 Parma, 19 novembre 2011 36 Il Tempo Problema più difficile Ritardo totale: somma di tanti diversi pezzi ognuno con problemi specifici Problema più grosso: sincronizzazione dei due orologi Soluzione: GPS in common view mode + orologi atomici

37 Parma, 19 novembre 2011 37 Posizioni (X,Y,Z) nota da altre misure indipendenti Il satellite fornisce solo l'ora (tempo di riferimento comune)

38 Parma, 19 novembre 2011 38 Il Tempo Errore complessivo ~10 ns

39 Parma, 19 novembre 2011 39 i dati: il fascio 2 pacchetti di protoni di 10.5 μs a distanza di 50 ms sottostrutture dovute a PS e SPS da una singola estrazione: 0 o 1 interazione !

40 Parma, 19 novembre 2011 40 i dati: il rivelatore senza correzioni: cercando la migliore interpolazione:

41 Parma, 19 novembre 2011 41 Conclusione inserendo tutti i ritardi misurati velocità

42 Parma, 19 novembre 2011 42 verifica 4 pacchetti di protoni lunghi 3 ns distanziati di 524 ns

43 Parma, 19 novembre 2011 43 risultati (resi noti ieri) 4 x 10 16 P.o.T. 20 neutrini osservati Valor medio: (62.1 ± 3.7) ns

44 Parma, 19 novembre 2011 44 l'interpretazione ? Relatività ristretta: m 2 c 4 = E 2 –p 2 c 2 = E 2 (1-v 2 /c 2 ) = -(120 MeV) 2 i tachioni hanno massa immaginaria (?) violano la relazione causa-effetto (?) p/|m|c E/|m|c 2 β t t' t x x'

45 Parma, 19 novembre 2011 45 altri dati ? neutrini SN 1987A: ~ 10 MeV dt ~ entro 15 sec limiti diretti e indiretti ? m(ν e ) < 2 eV m 2 (ν e ) = -1.1+-2.4 (eV) 2 oscillazioni ? più di 90 articoli pubblicati su arXiv !

46 Parma, 19 novembre 2011 46 Domande ? Suggerimenti ?