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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