IL NEUTRINOIL NEUTRINOConferenza di Fisica

del Prof. Paolo Strolin ( con la collaborazione artistica di Laura Strolin )

•Preistoria•Storia•A che serve ?

•EnigmiFisicaAstrofisicaCosmologia

Bibliografia

•A. Ereditato, V Palladino e P.S.- L’Enigma del neutrino- Sapere (Feb. 96)

•L.M.Krauss - La Materia Oscura - Le Scienze (Feb 87)

•J. Bahcall - Neutrini dal sole - Le Scienze (Ott 69)

•J. Bahcall - Il Problema dei neutrini solari - Le Scienze (Lug 90)

presentazione

BECQUEREL 1896SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA’ NATURALE

Elementi radioattivi (*)U, Ra, ..

(*) Copyright M. Curie

e(+) -

e si scoprì poi che assieme a

viene emesso e

(+) -

(+) -

radiazioni

Nulla si crea e nulla si distrugge

Einstein 1905

E = mc2

energia materia

energia - materia 1

Più precisamente: {ENERGIA materiaantimateria

esempi:

e- elettrone

e+ positrone (anti-elettrone)

w-

e- elettrone

anti-neutrino

includendo nel bilancio energia, materia, anti-materiasi ritrova

“nulla si crea e nulla si distrugge”

energia - materia 2

Decadimento Decadimento nuclearee-

60Co 60Ni + e- +

n p + e- + ( F. Perrin 1933 )

d u + e- + (Teoria dei Quark 1964)

even

ti Energia disponibile = m nuclei c2

energia e-

IPOTESI DI PAULI porta via energia

m

sezione d’urto

Per le particelle elementari (come )“sezione d’urto”

invece che “dimensioni” (es. r2 di una pallottola)

10-38 cm2

Diametro Atomo cm

Diametro Nucleo

cm

Il Neutrino ha una probabilità piccolissima di interagire con la materia

“Interazione debole”

FermiTENTATIVO DI UNA TEORIA DEI RAGGI

di Enrico Fermi (1934)

Sunto - Si propone una teoria quantitativa dell’emissione dei raggi in cui si ammette l’esistenza del <neutrino> e si tratta l’emissione degli elettroni e dei neutrini da un nucleo all’atto della disintegrazione con un procedimento simile aquello seguito nella teoria dell’irradiazione per descrivere l’emissione di un quanto di luce da un atomo eccitato. Vengono dedotte delle formule per la vita media e per la forma dello spettro continuo dei raggi , e le si confrontano con i dati sperimentali.

Ipotesi Fondamentale della teoria §1 Nel tentativo di costruire una teoria degli elettroni nucleari e dell’emissione dei raggi , si incontrano, come è noto due difficoltà principali. La prima dipende dal fatto che i raggi primari vengono emessi dai nuclei con una distribuzione continua di velocità. Se non si vuole abbandonare il principio della conservazione dell’energia, si deve ammettere perciò che una frazione dell’energia che si libera nel processo di disintegrazione sfugga alle nostre attuali possibilità di osservazione. Secondo la proposta di Pauli si può, ad esempio, ammettere l’esistenza di una nuova particella, il così detto <neutrino> avente carica elettrica nulla e massa dell’ordine di grandezza di quella dell’elettrone o minore. Si ammette poi che in ogni processo vengano emessi simultaneamente un elettrone, che si osserva come raggio , e un neutrino che sfugge aall’osservazione portando seco una parte dell’energia. Nella presente teoria ci baseremo sopra l’ipotesi del neutrino. Una seconda difficoltà per la teoria degli elettroni nucleari, dipende dal fatto che le attuali teorie relativistiche delle particelle leggere (elettroni o neutrini) non danno una soddisfacente spiegazione della possibilità che tali particelle vengano legate in orbite di dimensioni nucleari.

e-

e-

Interazione ELETTROMAGNETICA

e-n

GF

p

Interazione DEBOLEGF << (probabilità)

scoperta

e qua finisce la preistoria ...scoperta (*) del

(Reines e Cowan 1956)

(*) Osservazione di neutrini che interagiscono (debolmente !!) con lamateria di un “rivelatore” di particelle.

Reattore Nucleare

Rivelatore

pn

e+

pne+

particelle

dopo tante affascinanti ricerche ..

Olimpo delle attuali (*)PARTICELLE ELEMENTARI

Quarks ( -- )( -

- )( -- )

FAMIGLIE

Leptoni ( z-)( - )( e

e-) znon ancoraosservato!

n.b. - ora differenziamo e , , Z

di questo olimpo il è un membro SPECIALE ED IMPORTANTISSIMO

(*) - Lo saranno ancora considerate tutte domani, o si scoprirà che alcune in realtà sono strutture composte ?

Interazioni Fondamentali

mediatori intensità relativa

Forte (Nucleare) g 1Elettromagnetica

Debole

W Z0

10-2

10-6

Gravitazionale ? 10-40

Quarks Forte ( + e.m. + debole)

Leptoni - Elettroni carichi E.m. ( + debole)

Neutrini debole

I hanno permesso di isolare e capire le interazioni deboliW+ e Z0 (Rubbia 1983)

fusione nucleare

a che servono i neutrini ? “a scaldarci !”(in realtà non direttamente, ma nel senso che senza i non saremmo scaldati dal sole)

l’enorme energia sprigionata all’interno delle stelle ( e quindi anche dal sole ) non può provenire da reazioni chimiche.

proviene da reazioni di FUSIONE NUCLEARE ( Eddington , 1920)

ciclo p-p

e+

p + p d + e+ +

d + p 3He +

3He + 3He 4He + 2p

in definitiva p + p 4He + Luce e radiazioni e.m.

sole

sulla Terra ~ 1011 / cm2

accompagnano

necessariamente i ,la radiazione e.m.

che ci illumina e scalda!

egualmente abbondanti

ma invisibili

riscaldamento

perchè la radiazione e.m. (luce, u.v.) ci scalda e i no ?

rispostaperché la radiazione e.m. interagisce con il nostro

corpo e vi deposita la sua energia (calore)

i neutrini no, ci attraversano senza interagire:non depositano energia !

enigmi

e ora veniamo agli ENIGMI !

bassissima probabilità di interazione dei negli apparati sperimentali (“rivelatori”)

aspetti ancora misteriosi del

e,,z

carica elettrica 0

momento angolare di spin 1 / 2

interazioni debole

massa ?

altre proprietà ?

?

enigma neutrino

L’enigma m e le sue implicazioni

m

FISICA

ASTROFISICA COSMOLOGIA

massa del neutrino

m> 0 ?

FISICA• Le odierne teorie pongono m= 0 perché tanto piccola che non se ne vedono ancora gli effetti.• Nessuna ragione fondamentale.• Se m> 0 nuove frontiere della Fisica

ASTROFISICA• La “materia oscura” dell’universo è in parte spiegata da m= 0, vista l’abbondanza di nell’universo ?

COSMOLOGIA• Continuerà l’espansione dell’universo iniziata con il “bing bang” ?

La Massa Oscura

verso la Terra

misura della frequenza per effetto doppler

freq

uenz

a

300

200

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R

massa visibilemassa invisibile

Massa Visibile = 10% Massa Totale

Curva sperimentale rilevata

Componenti noti dell’UniversoMateria “visibile”

( emette radiazioni e.m., luce, raggi x, ... )

Fotoni “reliquie” del Big-Bang(cm3 a 2,7 °K - Arno e Penzias 1965)

Neutrini “reliquie” del Big-Bang(stimati a cm3 a 2,7 °K)

E la materia oscura ?

• viene da m > 0 ?• particelle elementari ora ignote ?• ?

N.B. m non richiede “l’invenzione” di nuovi oggetti ed è plausibile che sia

m > 0

L’UNIVERSO IN ESPANSIONE(Legge di Hubble, 1929)

Big Bang

Il “Grande Scoppio” (Big Bang)

R

t

Big Bang

oggi

Situazione limite

c

Grande Freddo < c

Grande Scontro

> c

la materia oscura influisce su < > c !

ricerca

Alla ricerca di m

Il metodo più sensibile è basato sulla ricerca di un effetto indotto da m

le “oscillazioni di neutrino”

esperimenti:

GALLEX(Gran Sasso)

Osservazione dei neutrini prodottidalla fusione nucleare nel sole

CHORUS(Cern)

Osservazione dei neutrini prodottimediante un acceleratore di particelle