i neutrini nella fisica delle particelle elementari alessandro iannucci
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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:•
...,,,,,,,,,,, ooonpnp
...,,,,,,,,,,,, ooooo BBBBDDD
qqq
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
eVe 8
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 (I1010 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
eepn
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
ee
eepn
epne
• 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 Bruno Pontecorvo
... Al 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)
p
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
)2/()( tAsentx
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
)2/)(
2
1cos)2/)(
2
1cos)( ttAtx yxyx
)2/)(
2
1cos)2/)(
2
1)( ttAsenty yxyx
Pendolo x e pendolo y accoppiati
)2/)(
2
1cos)2/)(
2
1cos)( ttAtx yxyx
)2/)(
2
1cos)2/)(
2
1)( ttAsenty yxyx
)2/)(2
1cos)( 222 tAtA yxx
)2/)(2
1)( 222 tsenAtA yxx
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-2versione originale
il gatto è vivo o è morto?
Oscillazione dei neutrini
cossin
sincos
2
1
e
e
tEEsensentP )(2
12)( 21
22
tm
p
csensentP 2
322
42)(
22
21
2 mmm Condizioni necessarie: 1) 0
2) m20
Oscillazione dei neutrini
e e
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.
Un tipico evento neutrinico al Super-K
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
K2K
KEK Super K
... bersagliop
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