La fisica dei neutrini
Schema della sezione
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L’inizio del 1900 fu un periodo ricco di nuove scoperte che aprirono le porte ad aspetti della fisica completamente nuovi: nel 1986 Thomson scopre l’elettrone e con questo si compren
de che l’atomo
ha una sua struttura interna di cui occorre comprenderne i componenti e le
leggi che la governano. Nello stesso anno Bequerel scopre che alcune sostanze in
modo spontaneo emettono della radiazione in grado di annerire una lastra
fotografica: è la scoperta della radioattività naturale, fenomeno che guiderà alla
comprensione della fisica nucleare. Proprio nel tentativo di spiegare i meccanismi che regolano il decadimento \( \beta \) Pauli postula l’esistenza di una particella, il neutrino, la cui esistenza verrà provata sperimentalmente solo molti anni più tardi.
Nel 1911 intanto Victor Franz Hess, compiendo coraggiosi voli in mongolfiera scopre i raggi cosmici: il loro studio porterà alla scoperta nel 1932 del positrone, la prima antiparticella, e poi di numerose altre particelle instabili, la cui esistenza era fino al quel momento sconosciuta.
A poco a poco accanto allo studio dei raggi cosmici si cominciano ad affiancare macchine in grado di riprodurre ciò che i raggi cosmici producono in alta quota, ossia urti tra particelle in grado di svelare i segreti della materia: inizia così la fisica delle alte energie condotta attraverso l'utilizzo di acceleratori di particelle sempre più potenti. Da queste ricerche nascerà il modello standard che riassume ciò che noi oggi conosciamo della materia, modello che contempla il neutrino tra i suoi componenti elementari.
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Il neutrino fu la prima particella postulata teoricamente per risolvere un problema che per decenni rappresentò un vero e proprio puzzle per i fisici: lo spettro continuo del decadimento beta.In questa sezione introdurremo le principali caratteristiche dei decadimenti nucleari spontanei e analizzeremo le ragioni che portarono Pauli a postulare nel 1930 l'esistenza del neutrino. Riassumeremo quindi i tratti più salienti della teoria sviluppata da Enrico Fermi per spiegare il decadimento beta assumendo valida l'ipotesi di Pauli
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Il seguente video racconta come Marie Curie e Ernest Rutherford svilupparono i primi strumenti per misurare la radioattività delle sostanze e di come si giunse alla classificazione della radioattività in alfa, beta e gamma.
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Il file introduce alla fisica dei decadimenti spontanei alfa, beta e gamma.
Relativamente al decadimento beta viene presentata la prima interpretazione che ne venne data, sulla base delle misure sperimentali condotte. Questa tuttavia, se corretta, avrebbe portato i fisici a concludere che nel decadimento beta vengono violati i principi di conservazione dell'energia e della quantità di moto.
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In una celebre lettera del 1930 Pauli propone "un possibile disperato rimedio" per salvare i principi
di conservazione: l'idea è che insieme all'elettrone nel decadimento venga emessa un'altra particella ( il neutrino). L'energia emessa nel decadimento, dovuta al difetto di massa, verrebbe così spartita tra elettrone e neutrino ed i principi di conservazione sarebbere ancora validi
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La teoria che spiega come avvenga il decadimento beta avvenga fu elaborata da Enrico Fermi, che introdusse a tal fine una nuova forza fondamentale: la forza elettrodebole.
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I neutrini sono particelle che interagiscono molto debolmente con la materia e questo le rende assai difficili da rilevare sperimentalmente. Passarono così 26 anni prima che nel 1956, dopo diversi tentativi falliti, Cowan e Reines riuscirono ad effettuare il primo esperimento che mostrava senza ombra di dubbio i segni del passaggio di neutrini dalla materia.-
I primi tentativi di rilevare i neutrini vengono effettuati da Davis sulla base di un'idea proposta da Bruno Pontecorvo. A tal fine vengono utilizzati come sorgenti di neutrini i reattori nucleari.
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La pagina racconta la formazione scientifica dei due ricercatori e l'occasione del loro incontro dal quale nacque il sodalizio che portò alla scoperta del neutrino
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Dopo 26 anni dalla famosa lettera di Pauli finalmente Cowan e Reines riescono per la prima volta a provare sperimentalmente l'esistenza dei neutrini.
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Nella prima metà del secolo sono molte le scoperte anche in altri settori della fisica: in particolare la fisica dei raggi cosmici mostra che oltre alle particelle che costituiscono la materia che ci circonda ce ne sono molte altre che però decadono rapidamente. Il mondo delle particelle elementari si popola rapidamente e la teoria prevede che alcune di esse decadano producendo anche neutrini. Ancora una volta è Pontecorvo il primo ad intuire che i neutrini non siano tutti uguali ed infatti nel 1962 si
effettuò il primo esperimento che lo dimostra: oltre al neutrino elettronico esiste anche il neutrino
muonico, prodotto per esempio dal decadimento del muone nei raggi
cosmici. Successivamente si dimostrerà che i sapori di neutrino sono tre (elettronico , muonico e tauonico) come tre sono i leptoni ad essi associati.-
Col volo di Hess nel 1911 gli scienziati hanno la conferma che la terra è costantemente bombardata da una radiazione che "arriva dall'alto", a cui si dà il nome di raggi cosmci.
Ha così inizio una delle avventure più affascinanti della fisica del '900 che porterà alla nascita della fisica delle particelle e delle alte energie. Una sintesi completa della fisica dei raggi cosmici la si può trovare nell'omonima sezione di skylab. Qui riporteremo solo quei risultati che interessano in modo specifico la fisica dei neutrini.
Con la conosecnza sempre più completa delle reazioni indotte dai raggi cosmici con l'atmosfera si comprende così che oltre ai reattori nucleari anche l'atmosfera è una costante sorgente naturale di neutrini.
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In cosa dovrebbero differire il neutrino muonico ed il neutrino elettronico se sono entrambe particelle a massa nulla e carica nulla? Nel modo in cui esse interagiscono con la materia: i neutrini muonici interagendo con la materia dovrebbero produrre muoni mentre i neutrini elettronici dovrebbero produrre elettroni. Questo diverso comportamento è stato infatti osservato per la prima volta nel 1962 con un esperimento appositamente allestito nell'acceleratore di Brookhaven negli stati Uniti.
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Negli anni '40 si comincia ad ipotizzare che il processo che produce l'energia che permette al sole ed alle altre stelle di brillare sia la fusione nucleare. La teoria sviluppata da Bethe nel 1939 prevede che nella catena di reazioni che portano l'idrogeno a fondersi in elio venga prodotto un flusso consistente di nutrini.
Bahcall è il teorico che studia nel dettaglio e calcola il flusso di neutrini prodotti dal sole che ci si aspetta investano la terra. Ray Davis allora progetta e realizza il primo esperimento che riesce a rivelare i neutrini solari.
I primi risultati ottenuti da Ray Davis nel 1967 sono al tempo stesso un successo e un apparente fallimento: l'esperimento rivela effettivamente neutrini solari ma essi sono circa un terzo dei neutrini attesi. Si apre così un mistero che impiegherà più di 30 anni per essere chiarito in modo incontrovertibile.
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Nel sole avvengono diverse reazioni nucleari che portano l'Idrogeno a fondere in Elio con l'emissione di energia. Nelle svariate reazioni che hanno luogo nel sole la teoria prevede che vengano emessi anche neutrini con spettri di energie diversi tra loro. Riuscire dunque a rivelare il flusso di neutrini prodotti dal sole diventa un modo per validare il modello di funzionamento del sole
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Se la teoria di Bethe era corretta il Sole avrebbe dovuto rappresentare una sorgente formidabile di neutrini. Nel suo articolo del 1939 Bethe non fece cenno alla misurazione dei neutrini come metodo per convalidare la sua teoria ma l'opportunità di sbirciare nel cuore del Sole attraverso i neutrini catturò l'immaginazione di Ray Davis.
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Dopo le prime misure di Davis del 1968 che misurano il flusso di neutrini solari mostrando però un deficit nella quantità degli stessi, molti altri esperimenti si dedicheranno negli anni successivi alla misura dei neutrini solari. Tutti però mostarono un deficit nel numero di neutrini rivelati rispetto al numero di neutrini attesi.
Il problema venne chiarito in modo conclusivo con l'esperimento SNO del 2001 che dimostra la validità dell'ipotesi di oscillazione del neutrino formulata per la prima volta ancora da Bruno Pontecorvo e che verrà discussa nel dettaglio nella sezione successiva.
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La teoria di oscillazione dei neutrini venne proposta per la prima volta da Bruno Pontecorvo nel 1967 e prevede che i neutrini possano cambiare sapore viaggiando nello spazio e nel tempo. In questa sezione cercheremo di riassumere le caratteristiche principali di questo fenomeno, che è forse il più caratteristico di questa particella.Nel fare ciò dovremo accontentarci di un livello qualitativo, dato che una trattazione quantitativa del fenomeno implica questioni di meccanica quantistica che vanno oltre il livello pensato i destinatari di Skylab, tipicamente ragazzi del percorso liceale. Passeremo quindi in rassegna alcuni tra gli esperimenti più significativi che hanno permesso di validare la teoria di oscillazione del neutrino dal punto di vista sperimentale e di determinarne i parametri richiesti
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Oggi sappiamo che i neutrini sono tre ( elettronico, muonico e tauonico) insieme alle rispettive antiparticelle. La teoria prevede che ciascun neutrino sia composto da un mix di tre masse possibili (autostati di massa) e che ciò che determina il "sapore" dei neutrini sia proprio il diverso mix dei tre autostati. Il fenomeno dell'oscillazione è prodotto dal fatto che la funzione d'onda che descrive i tre autostati di massa propaga in modo diverso.
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In Giappone , nella miniera di Kamioka, 240 km circa a ovest di Tokyo alcuni scienziati si erano uniti alla caccia dei neutrini solari a metà degli anni '80 utilizzando rivelatori di concezione completamente diversa rispetto a quelli di concezione radiochimica fin qui descritti. Nel 1989 il team di Kamiokande pubblica i risultati confermando il lavoro di Ray Davis.
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Negli anni '90 i giapponesi migliorano il loro apparato di misura trasformandolo nel Super-Kamiokande: un rivelatore per neutrini di gran lunga più sensibile dell'apparato originario ed in grado di rivelare non solo neutrini solari ma anche i neutrini atmosferici sia elettronici che muonici, prodotti dalle collisioni dei raggi cosmici con l'atmosfera.
Nel 1998 vengono pubblicati i risultati delle misure effettuate sui neutrini atmosferici e mostrano un deficit di neutrini muonici : tutti i dati sperimentali si accordano però perfettamente a quanto previsto dalla teoria di oscillazione di Pontecorvo.
Nel power point allegato nella pagina note sono riportati commenti dettagliati alle slides
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Il video ci accompagna in un tour con una descrizione dettagliata del sito sperimentale
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Tutte le misure effettuate fino a questo momento mostrano la sparizione di alcune tipologie di neutrini evidenziando un deficit di neutrini misurati rispetto al valore atteso. Sebbene le misure , come nel caso di super-Kamiokande, siano in perfetto accordo con le previsioni del modello di oscillazione, i fisici sono alla ricerca di un esperimento in grado di provare in modo definitivo che il deficit di neutrini elettronici osservati nelle misure dei neutrini solari sia dovuto alla loro oscillazione in neutrini muonici. Occorre dunque allestire una misura che consenta per i neutrini solari di misurare sia i neutrini elettronici che muonici e dimostrare la loro somma è pari al numero di neutrini elettronici prodotti dal Sole calcolati col modello di Bahcall. Questo storico risultato viene ottenuto finalmente nel 2001 dall'esperimento SNO.
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Il link è al video di una conferenza tenuta al CERN il 4th September 2017 che riporta i risultati di SNO sull'oscillazione del neutrino e descrive i progetti in corso al SNOLAB
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L'esperimento di super-kamiokande condotto sui neutrini atmosferici aveva indotto in modo indiretto a ritenere che i neutrini muonici possano oscillare in neutrini tau. La prova diretta però di questa oscillazione la si ebbe nel 2010 con i primi risultati dei rivelatore OPERA al Gran Sasso : la strumentazione per la prima volta fu in grado di rivelare neutrini tau in un fascio di neutrini mu inviato dal CERN.
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Il video descrive le caratteristiche dell'esperimento CNGS ( CERN Neutrinos to Gran Sasso) mostrando in dettaglio come viene prodotto il fascio di neutrini al CERN. IL video è stato girato mentre il rivelatore OPERA era ancora in fase di costruzione.
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Il video annuncia, attraverso le parole di Antonio Ereditato, lo spokenperson dell'Esperimento OPERA i primi risultati che hanno mostrato l'apparizione di neutrini tau prodotti dall'oscillazione di neutrini muonici prodotti al CERN ed inviato al Gran Sasso.
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Fin'ora abbiamo parlato di alcune sorgenti di neutrini: il sole e dunque tutte le stelle, i neutrini atmosferici prodotti dall'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera e i reattori nucleari.In questa sezione scopriremo che vi sono diverse altre sorgenti di neutrini che contribuiscono al flusso enorme di queste particelle che ci attraversa in ogni istante.
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È noto che il Sole emette neutrini prodotti dalla reazioni termonucleari nel nucleo della stella. È meno noto che anche la Terra è una sorgente di anti-neutrini, prodotti dal decadimento degli elementi radioattivi presenti nella crosta e nel mantello.
Solo nel 2005 sono emerse le prime evidenze di queste sfuggenti particelle grazie all’esperimento KamLAND in Giappone, seguite nel 2010 dalle misure dell’esperimento italiano Borexino, attualmente in funzione presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
Nei prossimi anni sentiremo parlare ancora spesso dei geo-neutrini: grazie anche a queste particelle, infatti, si comprenderà meglio come il nostro pianeta si è formato ed è evoluto.
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I neutrini prodotti all'epoca del Big Bang riempiono lo spazio che ci circonda. Riuscire a rivelarci permetterebbe di ottenere importantissime informazioni sul nostro Universo.
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I neutrini sono importantissimi per l'astrofisica perchè oltre a permetterci di ricavare informazioni sul ciclo vitale delle stelle e sulla produzione degli elementi pesanti attraverso processi di fusione permettono anche di conoscere più a fondo le spettacolari esplosioni delle stelle massive in supernovae, fondamentali perchè distribuiscono nello spazio gli elementi necessari alla vita.
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Ed infine ci siamo noi !! Il nostro corpo infatti contiene circa 20 mg di 40K che è un beta emettitore. Così anche il nostro corpo produce 350×106 neutrini al giorno. Questo numero non è nulla in confronto ai dati riportati sotto ma .... anche noi emettiamo neutrini
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KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino experiment): è un esprimento che si prefigge di misurare la massa del neutrino elettronico.
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Completato a fine 2010 l'osservatorio è dedicato allo studio dei neutrini più energetici prodotti all'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera.
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Alcuni progetti già funzionanti o in fase di progettazione prevedono l'utilizzo di enormi volumi di acqua dei mari, attrezzati con fotomoltiplicatori per rivelare la luce Cherenkov : tra questi NEMO al largo delle coste siciliane.
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Files preparati degli studenti per la presentazione finale
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Una nota INFN del 15/04/2020