La fisica dei neutrini

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L'astronomia dei neutrini raggiunse la maturità quando vari rivelatori disseminati in tutto il mondo registrarono una raffica di neutrini associati all'esplosione della pernova 1987A. L'esplosione fu osservata sulla Terra in luce visibile il 23 febbraio 1987, ma la luce aveva impiegato 160.000 anni per giungere fino a noi dalla Grande Nube di Magellano. Nell'esaminare le registrazioni dei vari esperimenti in corso in tutto il mondo, si constatò che un impulso di neutrini era pervenuto sulla Terra subito prima della luce della supernova. Le particelle furono identificate come neutrini emessi dalla stella morente, nel momento del collasso del suo nucleo, circa tre ore prima che l'energia sprigionata dal collasso stesso spazzasse via gli strati esterni della stella liberando l'intenso fulgore della luce visibile. Se le registrazioni fossero state controllate in tempo reale, avrebbero potuto fornire un avvertimento: ben presto una supernova sarebbe diventata visibile.



Peraltro l'informazione non sarebbe stata di grande utilità: in quanto non essendo i rivelatori direzionali, gli astronomi ottici non avrebbero saputo in quale direzione puntare i loro telescopi. In realtà, a causa dello scarso numero di eventi registrati e della necessità di compiere esperimenti di lunga durata per ottenere qualche risultato, i telescopi per neutrini venivano lasciati in funzione per vari giorni prima di analizzare le registrazioni; ma subito dopo la scoperta della supernova si modificò questo comportamento e da allora i dati raccolti vengono analizzati nella giornata immediatamente successiva. Soltanto due rivelatori erano nella giusta fase del loro ciclo di operazione e abbastanza sensibili da poter captare i neutrini provenienti dalla supernova. II Kamiokande, a Kamioka in Giappone, registrò un gruppo di 11 eventi di neutrini distribuito su un intervallo di 13 secondi (la maggior parte dei quali arrivati però nel primo secondo del lampo di neutrini); Pinne (Irvine-Michigan-Brookhaven), un rivelatore simile nei pressi di Cleveland, Ohio (gestito dall'Università della California a Irvine, dall'Università del Michigan e dal Brookhaven National Laboratory), rilevò 8 eventi distribuiti su un intervallo di 6 secondi (si ricordi che il rivelatore di neutrini solari di Davis registrava solitamente un evento ogni due giorni).II fatto che i neutrini siano arrivati tutti nel lasso di pochi secondi fissa dei limiti alla massa dei neutrini.



Se i neutrini avessero massa zero, come i fotoni, viaggerebbero tutti alla velocità della luce e arriverebbero insieme (supponendo che fossero partiti insieme), anche dopo un viaggio di 160.000 anni. Se invece i neutrini hanno una massa (come annunciato nel maggio del '98 dai ricercatori del Kamiokande, secondo i quali il neutrino avrebbe una massa milioni di volte inferiore a quella dell'elettrone) la loro velocità di propagazione dipenderebbe dalle loro energie individuali. Come una palla colpita con maggior forza si muove più velocemente in aria, così i neutrini che avessero avuto un impulso maggiore nell'esplosione della supernova si muoverebbero con maggiore velocità e arriverebbero prima alla meta. L'effetto sarebbe più pronunciato quanto maggiore fosse la massa dei neutrini; il fatto che all'inizio dell'esplosione della supernova vari neutrini giungessero a distanza di meno di un secondo l'uno dall'altro, dopo un viaggio di 160.000 anni, mostra che la massa di ogni neutrino dev'essere inferiore a 15 elettronvolt.
Questa circostanza ha significative implicazioni sul possibile contributo dei neutrini alla densità complessiva dell'universo ( box a pag. 296). Ovviamente queste osservazioni possono essere spiegate anche facendo l'ipotesi che i neutrini abbiano esattamente massa zero e che viaggino tutti esattamente con la velocità della luce, ma che siano partiti dalla supernova in tempi lievemente diversi. In ogni caso, sappiamo che non possono avere una massa maggiore di 15 eV. Gli astrofisici calcolano che, nell'esplosione di una supernova come quella osservata nella Grande Nube di Magellano il 23 febbraio 1987, quando il nucleo della stella collassa, vengano liberati circa 1058 neutrini, che si diffondono in un guscio sferico che si propaga verso l'esterno alla velocità della luce (o a una velocità molto prossima). Quando questo guscio sferico arrivò all'altezza della Terra (a questo punto aveva un diametro di più di 100 kiloparsec), era diventato così sottile che «solo» 300 bilioni (3 X 10") di neutrini passarono per il rivelatore Kamiokande, e solo 11 di essi entrarono in collisione con gli elettroni del rivelatore lasciando una traccia osservabile. Più di 10 miliardi di neutrini provenienti dalla pernova 1987A passarono in quell'occasione attraverso il corpo di ogni adulto sulla Terra, e molto probabilmente solo alcuni di quei neutrini interagirono con degli elettroni del liquido contenuto negli occhi di tali persone, producendo un breve lampo di luce. Dunque qualcuno di noi potrebbe aver «visto» direttamente un neutrino proveniente dalla supernova.

Dalla misurazione dei tempi di arrivo e delle energie di soli 19 neutrini è stato dunque possibile ottenere una quantità di informazioni sorprendente: così sorprendente che persino i fisici delle particelle sembrano confusi. Se questi sono i risultati che si possono ottenere con un flusso di neutrini così ridotto, non stupisce che gli scienziati del mondo intero fremano all'idea di poter studiare un'altra supernova, ora che sono entrati in azione altri rivelatori di neutrini, più sensibili. Dopo il febbraio 1987 il guscio di neutrini provenienti dalla supernova ha continuato a espandersi verso l'esterno; quelle particelle potranno forse essere captate da altre civiltà. Frattanto altri (e più sensibili) rivelatori sono pronti qui sulla Terra per scoprire la nuova raffica di neutrini, che potrebbe essere già in procinto di raggiungerci a una velocità molto prossima a quella della luce, dopo essere stata espulsa da un'esplosione di supernova forse già verificatasi ma la cui luce non ci ha ancora raggiunto.

Tratto da L'Universale Astronomia Le Garzantine

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Il Telescopio Spaziale Hubble ha mostrato che nel cielo, in una dimensione angolare pari a quella sotto cui è vista la luna, vi sono milioni di galassie. Da molte misure di questo tipo si riesce a stimare che nell'Universo vi siano circa 100 miliardi di galassie e che ciascuna di esse sia in media composta di circa 100 miliardi di stelle!
Questa enorme quantità di materia è in realtà poca cosa quando la si confronta con la materia oscura, sia essa materia oscura "ordinaria" oppure "esotica".

L'ammontare nell'Universo di materia ordinaria o barionica (cioè costituita di protoni e neutroni), sia visibile che oscura, può essere stimata sulla base della quantità relativa di deuterio e di elio presente oggi e presente circa tre minuti dopo il Big Bang. Se allora vi fosse stata molta materia barionica, le collisioni fra nucleoni prima, e fra nuclei poi, sarebbero state molto probabili nei primi attimi dell'Universo e la frazione di deuterio dovrebbe essere ora molto piccola perché i nuclei di deuterio danno luogo ad elio; se invece la materia barionica fosse poca, allora la quantità di deuterio dovrebbe essere relativamente più abbondante.
Dalle misure più recenti delle attuali quantità relative di deuterio e di elio, si deduce che la materia barionica presente nell'Universo sia circa solo un settimo di quella necessaria per tenere legate le stelle nelle galassie e le galassie negli ammassi. Con metodi indiretti gli astrofisici hanno inoltre stimato che la materia barionica che non emette luce visibile sia circa 9 volte quella che emette luce visibile.
Di cosa è composta? Si tratta di enormi nubi di gas nei grandi ammassi di galassie, di " buchi neri " provenienti dal collasso di stelle e anche di buchi neri massicci al centro delle galassie , di stelle "morte" ( nane bianche, stelle di neutroni, ...), di oggetti di dimensioni planetarie, indicati con il nome generico di MACHO (MAssive Compact Halo Objects), ecc..
Da quanto detto finora, risulta chiara la necessità di ipotizzare l'esistenza di materia oscura non barionica.

Si pensa che l'Universo contenga un gran numero di neutrini, particelle ben note nel campo della fisica delle particelle elementari, che sarebbero stati prodotti nelle prime fasi di vita dell'Universo. Essi sono un po' "particelle fantasma" perché hanno elettrica nulla e raramente interagiscono con la materia ordinaria.
Misure di precisione effettuate con acceleratori di particelle hanno mostrato l'esistenza di tre tipi diversi di neutrini.



Gli esperimenti Kamiokande e perkamiokande in Giappone Macro al Gran Sasso, e Soudan 2 negli Stati Uniti hanno presentato risultati sui cosidetti "neutrini atmosferici", risultati che suggeriscono fortemente che un neutrino di un tipo può trasformarsi in un neutrino di un altro tipo (oscillazioni dei neutrini); questo può avvenire solo se i neutrini hanno massa non nulla. Si arriva alla stessa conclusione anche per i neutrini provenienti dal sole (esperimenti Homestake negli USA, GALLEX al Gran Sasso, SNO in Canada, ...). La massa stimata per i neutrini è però molto piccola; moltiplicandola per il gran numero di neutrini presenti nell'Universo si ottiene un contributo alla massa totale dell'Universo poco meno della materia visibile.
Il contributo di neutrini dotati di massa non cambia quindi la situazione, tanto più che il loro effetto è ridotto dal fatto che, possedendo una velocità molto prossima a quella della luce, possono giocare un ruolo solo nel tenere legati grandissimi ammassi di galassie, ma non i normali ammassi, né tanto meno le stelle in una galassia. Anche se non è stato possibile rivelarli sperimentalmente, si pensa che la loro energia media sia grande rispetto alla massa e quindi la loro velocità sarebbe circa quella della luce. Si dice che i neutrini costituiscono parte della materia oscura calda.

Sembra inoltre necessario ipotizzare che negli aloni delle galassie vi siano particelle di massa relativamente grande che viaggino con una tipica velocità galattica, di circa un millesimo della velocità della luce (si parla di materia oscura fredda).
I fisici cercano da tempo di produrre tali particelle agli acceleratori di alta energia, ma finora non ne hanno osservate, il che potrebbe implicare che debbano essere molto massive; tali ricerche proseguiranno agli acceleratori futuri aventi energie molto maggiori.
D'altra parte i fisici astroparticellari cercano tali particelle nella radiazione cosmica, utilizzando sofisticati rivelatori dove tali particelle dovrebbero interagire. Data la rarità di queste possibili interazioni occorre ridurre al minimo ogni tipo di fondo, quale quello legato ai raggi cosmici carichi, e alla radioattivitá ambientale. I rivelatori devono quindi essere localizzati in laboratori sotterranei.

Ma quali potrebbero essere queste fantomatiche particelle massive che viaggiano così lentamente? I fisici teorici ne hanno ipotizzate parecchie.
La più strana è forse il neutralino che sarebbe la particella supersimmetrica elettricamente neutra con massa più bassa. La predizione dell'esistenza di super-particelle (s-particelle) è basata su una possibile simmetria bosone- fermione, che dice che ad ogni particella con spin semintero (come l'elettrone, i quarks, i neutrini, ...) deve corrispondere una s-particella avente spin intero (s-elettrone, s-quark, s-neutrino, ...); analogamente ad ogni particella ordinaria con spin intero (es. il fotone) deve corrispondere una s-particella con spin semintero (es. il fotino). Il candidato più accreditato per spiegare la materia oscura fredda è il neutralino, una s-particella che può essere considerata come un miscuglio di s-particelle che sono partner supersimmetriche del fotone, del bosone Z 0 e di due bosoni di Higgs.

Un'altra possibilità potrebbe essere costituita dai nucleariti, agglomerati di quarks u, d ed s. Gli ordinari nuclei atomici sono costituiti da protoni e neutroni a loro volta costituiti di quarks u, d. Nei nucleariti non vi sarebbe l'equivalente dei protoni e neutroni, ma i quarks u,d,s, sarebbero liberi di muoversi all'interno di tutto il nuclearite. I nucleariti avrebbero densità più elevata dei nuclei ordinari e sarebbero stabili anche per masse molto più elevate di quelle dei nuclei di uranio.

Un'altra possibilità potrebbe essere costituita da monopoli magnetici, ipotetiche particelle dotate di magnetica. Essi possono essere accelerati nel campo magnetico galattico e avere quindi uno spettro di velocità.

Vi sono anche altri candidati: per es. gli assioni, ipotizzati per rimuovere un problema del Modello Standard delle particelle. Gli assioni avrebbero massa piccolissima, ve ne sarebbero tantissimi e avrebbero una velocità di circa un millesimo della velocità della luce; essi vengono cercati tramite rivelatori funzionanti come ricevitori di microonde.


Scenze giovane.unibo.it

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Progetto NEMO:

I neutrini sono particelle subatomiche con bassissima probabilità di interagire con la materia interstellare. Questa caratteristica gli permette di poter giungere sulla Terra da regioni molto lontane dell’universo. La loro rivelazione attraverso appositi strumenti innovativi permette quindi di svelare segreti nascosti di regioni sconosciute dello spazio e di meglio comprendere alcuni fenomeni che avvengono nell’universo, come l’esplosione di raggi gamma, di supernovae e i nuclei galattici attivi.



A questo scopo l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) sta realizzando un progetto di ricerca e sviluppo denominato NEMO (Neutrino Meditterranean Observatory). Esso è un telescopio sottomarino di nuova concezione in grado di rivelare i neutrini astrofisici di altissima energia.
Lo strumento, detto anche “chilometro cubo” o KM3, è una gigantesca antenna sottomarina ideata appositamente per lo studio delle particelle elementari di provenienza cosmica. Sarà collocato nel Mar Mediterraneo a circa 3.500 metri di profondità al di sotto della superficie marina, in modo da proteggerlo dalla radiazione cosmica che invade la Terra. Il KM3 ha un estensione di 1300x1300m di base e 740m di altezza. Tra gli strumenti in sua dotazione vi sono 5832 sensori ottici i cui segnali vengono trasferiti ai laboratori di terra per mezzo di cavi realizzati con innovative tecniche scientifiche. Il telescopio sarà anche utilizzato per monitoraggio oceanografico, geofisico, chimico ed acustico.

NEMO.it

Catturare i neutrini nei fondali degli oceani:
A 25 chilometri al largo delle coste di Catania il 9 dicembre la temperatura era tiepida, il sole splendeva e il mare calmo e luccicante sembrava attendere sornione, se non curioso, quell'ennesimo oggetto che gli esseri umani stavano per far scendere nei suoi abissi. Non assomigliava a un attrezzo da pesca, né agli ex-voto talvolta gettati nelle acque come segno di gratitudine per una grazia ricevuta, sembrava piuttosto una grossa cassa: un cubo dal lato di quattro metri, colorato di un giallo squillante e calato grazie a potenti argani con una tale cautela che giungerà a sfiorare le acque solo dopo il tramonto, sotto la luce di potenti fari e a salutato da gruppo di delfini curiosi. Tecnicamente la scatola gialla si chiama junction box, ed è una componente di un gigantesco telescopio per neutrini destinato a sorgere negli abissi del Mediterraneo. Lo scopo dell'apparato sarà di studiare i neutrini che provengono dalle più remote zone del cosmo, portando con loro preziosi indizi sulla natura del nostro Universo. Ma perché nascondersi sotto il mare? E perché cercare neutrini? Andiamo con ordine.

I neutrini sono le particelle più abbondanti dell'Universo, dopo i fotoni che compongono la luce. E, paradossalmente, sono anche fra le più sconosciute e misteriose. Sono così abbondanti che in un secondo attraverso la punta di un nostro dito ne passano 60 miliardi. Ma non lasciano traccia, perché i neutrini interagiscono pochissimo con gli atomi che formano la materia: un fatto che è stato origine di infiniti grattacapi per i fisici. Il modo migliore per spingere lo sguardo nel mondo dell'infinitamente piccolo infatti è proprio studiare i fenomeni che si producono quando le diverse particelle interagiscono fra di loro. Senza interazione, ci si trova nei panni di un antropologo che desideri registrare le abitudini di una tribù di fantasmi, perfettamente trasparenti e indifferenti a ogni contatto con il mondo materiale. Ed è un po' il supplizio di Tantalo perché i neutrini possono fornirci indizi fondamentali per rispondere ad alcuni grandi quesiti della fisica moderna. Ad esempio essi sono sospettati di essere tra i costituenti della misteriosa materia oscura, che costituisce buona parte di ciò che esiste nell'universo ma della quale non sappiamo nulla. E potrebbero anche indicarci quante diverse particelle esistono, oltre agli elettroni, ai quark e alle poche altre che attualmente conosciamo.
Fortunatamente, anche se molto di rado, qualche neutrino interagisce con la materia. Per registrare questi rarissimi eventi però è necessario costruire apparati giganteschi, nei quali passi un numero strabiliante di neutrini. “L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare è da anni impegnato nel progetto Nemo (NEutrino Mediterranean Observatory), che prevede la costruzione di 80 torri ognuna alta circa il doppio della Tour Eiffel, calate a 3500 metri di profondità e disposte in modo da definire un volume di acqua pari a un chilometro cubo. Una piccolissima percentuale dei neutrini che attraverserà questo spazio interagirà con gli atomi dell'acqua producendo particelle chiamate muoni, le quali a loro volta lasceranno una minuscola scia luminosa che sarà captata da speciali apparecchi posti lungo le torri. Infine un cavo trasferirà i segnali a terra, in modo che possano essere studiati dai nostri ricercatori”, spiega Emilio Migneco, direttore dei Laboratori Nazionali del d dell'Infn. Nelle operazioni iniziate il 9 dicembre, e protrattesi per oltre una settimana, i ricercatori hanno allestito la prima torre e la hanno collegata, tramite la gialla junction box, a un cavo per l'alimentazione elettrica e la trasmissione dei dati predisposto circa un anno fa. Ma perché andare dove l'acqua è tanto profonda? “Perché occorre proteggersi dai raggi cosmici, cioè dalla pioggia di particelle che giunge dallo Spazio e che produrrebbe un tale rumore di fondo da coprire i deboli segnali dati dai neutrini”, spiega Migneco. E per minimizzare il rischio di captare segnali “abusivi”, i ricercatori si concentreranno sulle particelle che provengono dalla metà del cosmo situata in corrispondenza dell'emisfero sud del nostro pianeta, cioè su quelle che arriveranno all'apparato dopo aver attraversato la Terra: un viaggio che solo i neutrini possono compiere senza essere fermati.



Apparentemente la caccia sottomarina al neutrino può sembrare uno sport facile, almeno per i fisici dalle menti opportunamente allenate. Ma in realtà le difficoltà da affrontare sono enormi. Le correnti marine, ad esempio, poi la natura corrosiva dell'acqua di mare, la necessità di ricorrere per tutte le operazioni di montaggio subacqueo a robot (che per quanto sofisticatissimi agiscono con lentezza esasperante), assicurarsi che il sistema di alimentazione sia perfettamente stagno, far arrivare i segnali fino a terra, e così via. “Tenuto conto di tutto ciò le operazioni di dicembre hanno rappresentato sotto ogni aspetto una prova generale. L'apparecchiatura connessa alla torre che abbiamo installato funziona perfettamente, segno che abbiamo ormai tutta le conoscenze necessarie per costruire l'intero apparato”, dice Emilio Migneco. Lo strumento completo dovrebbe essere allestito a partire dal 2009, ma non è detto che la struttura definitiva sarà localizzata nelle acque siciliane. Altri gruppi di ricercatori infatti stanno conducendo dei test al largo delle coste francesi e greche. Al termine delle ricerche preliminari sarà un coordinamento tra i principali enti di ricerca europei a decidere dove sorgerà il chilometro cubo di occhi sgranati alla ricerca dei neutrini.
Innumerevoli neutrini sono stati prodotti in abbondanza subito dopo il Big Bang, e vagano ancora per il cosmo, ma sono troppo deboli per essere captati dai nostri strumenti. Gli occhi degli scienziati invece si concentrano sui neutrini prodotti nel Sole, in seguito alle reazioni di fusione nucleare che lo fanno brillare. O su quelli generati in fenomeni catastrofici come l'esplosione di supernove, l'accrescimento dei buchi neri, o nati nelle reazioni che avvengono quando i raggi cosmici entrano nella nostra atmosfera. Esistono anche neutrini prodotti artificialmente dai ricercatori.

UGIS - Unione Giornalisti Italiani Scientifici

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Il neutrino è dotato di massa. Piccola, piccolissima, miliardi di volte più minuscola di quella dell'elettrone, ma pur sempre una massa. E una massa che cambia l'intero universo, o perlomeno il modo in cui lo abbiamo pensato fino a ora, costringendo a rivedere le teorie sulla formazione e l'evoluzione delle galassie e sul destino finale dell'universo.

La notizia, definita senza mezzi termini "epocale", arriva dal Giappone, dove è in corso "Neutrino '98", una conferenza internazionale di fisica a cui sono stati presentati i risultati dell'esperimento per-Kamiokande. Un gruppo di oltre 100 astrofisici americani e giapponesi, lavorando a centinaia di metri di profondità in una miniera del Giappone centrale, ha trovato il primo indizio sperimentale della massa dei neutrini, una scoperta che sfida la validità del modello standard della fisica delle particelle.



Secondo la teoria classica, il neutrino, una delle particelle più misteriose ed elusive che esistano, avrebbe dovuto essere privo di massa. Leggerissimo, e privo di elettrica, il neutrino è capace di attraversare a velocità elevatissime corpi grandi quanto e più della nostra Terra senza incontrare resistenza. In pratica, interagisce molto raramente con la materia, e questo lo rende estremamente difficile da intercettare e quindi da studiare. Gli astrofisici del per-Kamiokande sono riusciti a individuare la massa dei neutrini solo per via indiretta, scoprendo che, mentre viaggiano a velocità prossime a quella della luce, essi sono in grado di trasformarsi, "oscillando" da uno all'altro dei tre "sapori", o tipi, in cui sono conosciuti. E tutto ciò che oscilla, dice la meccanica quantistica, è anche dotato di massa.

Individualmente, i neutrini, che furono battezzati con questo nome nel 1931 da Enrico Fermi, hanno una massa estremamente piccola, ancora non misurata dagli scienziati. Tuttavia, sono diffusissimi nell'universo, più degli stessi protoni, che sono i costituenti fondamentali della materia. Tutti assieme, quindi, i neutrini potrebbero costituire una componente considerevole dell'universo, spiegando in parte il mistero della cosiddetta materia oscura o mancante. Secondo gli astrofisici, i neutrini potrebbero addirittura aver giocato un ruolo cruciale nella produzione di materia rispetto all'antimateria, ed essere quindi strettamente legati alla nostra esistenza.

Inoltre, se i neutrini hanno massa, aumenta anche la massa totale dell'universo e di conseguenza anche l'attrazione gravitazionale presente. La scoperta annunciata oggi in Giappone influisce quindi anche sulle attuali teorie cosmologiche. Aggiungendo la massa dei neutrini, la forza gravitazionale finirebbe per prevalere su quella di inerzia associata all'espansione dell'universo. Il processo di allontanamento tra i corpi celesti iniziato con il Big Bang, invece di continuare all'infinito dovrebbe quindi rallentare, invertirsi ed infine determinare il collasso universale verso un unico punto.

La Repubblica