Appunti di Radioastronomia: I neutrini, una pioggia cosmica - IW6ON - C.I.S.A.R. - Associazione Italiana Radioamatori Giulianova

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Appunti di Radioastronomia: I neutrini, una pioggia cosmica

Radioastronomia
 
Alcuni anni fa si pensava che i neutrini potessero essere ritenuti responsabili per la materia oscura, ma con l'attuale conoscenza della loro massa possono contribuire solo per una frazione insignificante. Oscillazione del sapore dei neitrini. Da diversi esperimenti effettuati da numerose collaborazioni internazionali (tra le quali si possono citare Super-Kamiokande, Sudbury Neutrino Observatory e KamLAND), è emersa l'evidenza del fenomeno noto come "oscillazione di sapore" dei neutrini, un fenomeno che fa mutare la particella da una "famiglia" ad un'altra, suggerendo che questa particella possegga una massa, così come già teorizzato dal fisico Bruno Pontecorvo nel 1969. I neutrini esistono in tre "sapori" conosciuti, i muonici, gli elettronici e i tauonici, assieme ai loro antineutrini. Per il calcolo delle loro proporzioni si osserva una notevole differenza fra valori teorici e sperimentali; ad esempio sulla Terra si sono registrati solo 1/3 dei neutrini che si pensa possano essere emessi dalle reazioni nucleari del Sole. Come possibile soluzione al problema dei neutrini solari, era stato teorizzato che i neutrini mancanti fossero quelli muonici, che si erano trasformati in tauonici, molto più difficili da osservare.


APPUNTI DI RADIOASTRONOMIA
a cura di Giovanni Lorusso IK0ELN
IARA Group, SAIt, SdR Radioastronomia UAI



 
Nell'Apocalisse gli angeli versano «le sette coppe dell'ira di Dio» sulla Terra. L'Armageddon viene dopo il versamento della sesta coppa: « Poi il sesto angelo versò la sua coppa sul gran fiume Eufrate, e le sue acque si prosciugarono perché fosse preparata la via ai re che vengono dall'Oriente. E vidi uscire dalla bocca del dragone, da quella della bestia e da quella del falso profeta tre spiriti immondi, simili a rane. Essi sono spiriti di demoni capaci di compiere dei miracoli. Essi vanno dai re di tutta la terra per radunarli per la battaglia del gran giorno del Dio onnipotente. (Ecco, io vengo come un ladro; beato chi veglia e custodisce le sue vesti perché non cammini nudo e non si veda la sua vergogna).) E radunarono i re nel luogo che in ebraico si chiama Harmaghedon.» Resurrezione dei morti. Particolare del rosone rappresentante l'Apocalisse nella chiesa Sainte-Chapelle, Parigi, ca. 1200. Questo passaggio è ambiguo, non è chiaro se vi è davvero successo qualcosa o se il raduno degli eserciti è solo un simbolo. Infatti, vi fu in quel posto un raduno dell'esercito romano in preparazione di uno degli attacchi a Gerusalemme nel 67 d.C.
 
 
Dall'anno 2007 è stato eseguito un esperimento a distanza per provare questa teoria; il CERN a Ginevra genera neutrini muonici e li spara in direzione del laboratorio INFN del Gran Sasso. Su miliardi di miliardi di neutrini lanciati dal CERN e arrivati ai laboratori dell'INFN dal 2007, nel 2010 è stato osservato dagli scienziati un primo neutrino che ha oscillato da muonico a tau ma il risultato è sufficiente per suggerire fortemente che i neutrini abbiano una massa e che possano oscillare passando da un sapore a un altro. Ulteriori ricerche confermano le oscillazioni di sapore del neutrino. Nel 2012 l'esperimento OPERA del Gran Sasso ha osservato per la seconda volta una oscillazione di sapore del neutrino muonico in neutrino tauonico. Le oscillazioni osservate da neutrino muonico a neutrino elettronico, al 6 giugno 2012, sono state invece. Nel Modello Standard i neutrini sono pensati privi di massa, per cui l'esito di questo esperimento implica la necessità di modificare la teoria, fornendo nuove spiegazioni e iniziando nuove ricerche con tutte le possibili implicazioni in cosmologia, nell'astrofisica e nella fisica delle particelle.
 

Ciao Margherita

I NEUTRINI, UNA PIOGGIA COSMICA
Laboratori Nazionali I.N.F.N. del Gran Sasso - Giornata di Studio del 16 Maggio 2013


Introduzione
Come è nato l'Universo? Come funzionano le Stelle? Che cosa è la Materia Oscura? Quale è la natura del Neutrino? A queste domande sui misteri del Cosmo cercano di rispondere gli scienziati che lavorano nei laboratori sotterranei dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare del Gran Sasso. Con lo studio della natura dei Neutrini, la ricerca sulla Materia Oscura, lo studio di Reazioni Nucleari di interesse astrofisico e la ricerca sui Decadimenti Rari, i ricercatori del Gran Sasso cercano di aprire una nuova finestra di osservazioni dei fenomeni che si manifestano nell'Universo, da cui trarre informazioni fondamentali sulla sua origine e sul suo destino. Condivido con il lettore le difficoltà interpretative dell'argomento trattato in questo articolo che ho cercato di semplificare il più possibile per renderlo più fluido ai non addetti ai lavori. Tuttavia confido su una massima che mio nonno era solito pronunciare: "...l'arte del saper non è mai troppa!"

Organizzata dall'Istituto J.F. Kennedy di Monterotondo (Roma), il 16 Maggio 2013, presso I.N.F.N. (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) del Gran Sasso si è svolta una giornata di studio su una materia scientifica attuale: i Neutrini. Il gruppo di partecipanti, composto da circa 30 persone, tra cui anche il sottoscritto IK0ELN Giovanni Lorusso e IZ0GIS Eraldo Bulgarelli, ha raggiunto la Galleria del Gran Sasso intorno alle nove del mattino. Così, dopo aver ricevuto i pass d'ingresso ed i caschi di protezione, siamo stati accolti dal Prof. Pierluigi Belli, ingegnere fisico nucleare e ricercatore presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, che ci ha accompagnati in visita alle varie gallerie che ospitano le complesse strumentazioni adatte a svolgere questo delicato lavoro di ricerca. E, man mano che attraversavamo gli enormi corridoi che mettono in comunicazione le gallerie, l'Ing. Belli ci informava che, secondo la teoria del Modello Standard delle particelle, i Neutrini sono particelle elementari con carica elettrica nulla e con massa zero; ma che, tuttavia, i risultati di recenti esperimenti, dimostrerebbero che i Neutrini sono dotati di una massa di piccolissime dimensioni (infatti, la massa del Neutrino elettronico sarebbe 250.000 volte più piccola di quella dell'elettrone). Inoltre, sempre l'Ing. Belli ci spiegava che in natura esistono ben tre tipi di Neutrini, l'uno diverso dall'altro: il Neutrino elettronico (E), il Neutrino muonico (MU) ed il Neutrino tauonico (TAU); associati rispettivamente all'elettrone, al muone, ed alla particella tau; comunque capaci di trasformarsi l'uno nell'altro. Tali particelle, soggette alle forze deboli e gravitazionali, molto difficilmente interagiscono con la materia, rendendo molto complicata la loro rivelazione (si consideri che i Neutrini attraversano continuatamente il nostro corpo umano ed il nostro pianeta senza provocare nessun danno!). Infatti, nonostante che dal nucleo centrale del Sole (Core) arrivino sulla superficie terrestre 60 miliardi di Neutrini al secondo per cm2, è stato necessario costruire apparati sperimentali di enormi dimensioni per rilevarne almeno alcuni al giorno! Nell'Universo sono presenti un numero abbondante di Neutrini, prodotti da innumerevoli processi fisici, nel rapporto di un miliardo per ogni singolo protone; per cui si è reso necessario costruire i laboratori in luoghi molto profondi, schermati con il piombo come la galleria del Gran Sasso, per evitare di rilevare anche i Neutrini di natura Cosmica (aneddoto curioso: la schermatura delle pareti del Gran Sasso è stata realizzata con blocchi di piombo puro che trasportava una nave romana, che affondò al largo delle coste della Sardegna; in quanto piombo puro e non contaminato da altri minerali o radiazioni presenti sulla Terra!). Ma già alla fine degli anni '50 l'Ing. Bruno Pontecorvo affermava che i Neutrini hanno la proprietà di trasformarsi da un tipo ad un'altro, dando così luogo al fenomeno delle oscillazioni durante il percorso Sole-Terra. Ed ecco che, la dimostrazione che i Neutrini oscillano indicano la presenza di una massa non nulla e diversa per ogni tipo. Va aggiunto che la probabilità di oscillazione dipende dalla distanza percorsa dai Neutrini e dalla loro energia. Il fascio di Neutrini muonici viene prodotto al CERN (Centro Europeo di Ricerca Nucleare) di Ginevra, utilizzando protoni di altra energia (400 GeV) estratti dall'accelleratore di particelle SPS; ed ogni tre secondi circa vengono fatti interagire con un bersaglio costituito da tredici cilindretti di grafite di pochi millimetri di diametro. Il prodotto dell'interazione è un fascio composto da Pioni e Kaoni, che viene focalizzato per mezzo di due lenti magnetiche e indirizzato verso il Gran Sasso. Entrambi i prodotti decadono in un tunnel lungo 1 Km diretto verso il Gran Sasso e danno origine a particelle cariche formate da Muoni e TAU, i quali continueranno a viaggiare nella stessa direzione delle particelle che le hanno generate. Così, il fascio di Neutrini raggiunge praticamente indisturbato agli apparati sperimentali nei Laboratori del Gran Sasso, dopo aver percorso ben 730 Km sotto la superficie terrestre, ad una profondità di circa 11,4 Km, per effetto della curvatura terrestre. E mentre attraversavamo le enormi gallerie, l'Ing. Belli sostava per spiegarci il funzionamento dei rilevatori, specificandone la funzione in rapporto al progetto di ricerca, qui di seguito elencati: Progetto OPERA (Oscillation Project with Emulsion tRaching Apparatus) è un rivelatore di grande massa realizzato con lo scopo di rivelare la comparsa di Neutrini TAU provenienti dal CERN di Ginevra (a tal riguardo è stato definitivamente affermato che i Neutrini non superano affatto la velocità della luce, 300.000 Km/s, confermando le esatte teorie di Albert Einstein); Progetto ICARUS (Imaging Cosmic and Rare Underground Signal) è un enorme rivelatore contenente 600 tonnellate di Argon liquido per studiare eventi rari ed, in modo particolare, le interazioni dei Neutrini a seguito della loro oscillazione e trasformazione da un tipo all'altro (MU e TAU); Progetto BOREXINO – NEUTRINI SOLARI, è un apparato sperimentale di grandi dimensioni, costituito da un grande recipiente contenente 100 tonnellate di triclouro di gallio; così che, quando un Neutrino interagisce con il gallio (in media una volta al giorno) produce un atomo di germanio. Poi, estraendo periodicamente gli atomi di germanio, attraverso tecniche Radiochimiche (ed ecco che la Radio fa la sua parte anche nella fisica nucleare!) è possibile determinare il numero delle interazioni dei Neutrini nell'apparato. Come più volte accennato, nel nucleo del Sole, dove la temperatura raggiunge i 16.milioni di gradi, una serie di reazioni nucleari producono Neutrini. Il processo principale che produce oltre il 98% dell'energia solare, consiste nella fusione di quattro protoni in un nucleo di elio, con l'emissione di una grande quantità di energia sotto forma di raggi gamma, calore e Neutrini. A differenza dei fotoni che impiegano fino a centinaia di migliaia di anni per attraversare i 700.000 Km del raggio solare; ai Neutrini bastano poco più di due secondi e nei restanti 8 minuti raggiungono la Terra (va ricordato che la luce del Sole impiega 8 minuti per raggiungere il nostro pianeta, viaggiando a 300.000 Km/s, per percorrere 150.milioni di Km, cioè la distanza Terra-Sole) fornendoci preziose informazioni sui processi di produzione di energia nel Sole e in generale nelle stelle. Grazie al Borexino, che è un rivelatore progettato principalmente per lo studio dei Neutrini solari, è possibile studiare reazioni fino ad oggi ipotizzate e finora mai rilevate, ad esempio il ciclo CNO (Carbonio, Azoto, Ossigeno), ruolo predominante per le stelle massive. E' molto probabile che il futuro utilizzo dei Neutrini sarà proprio per le telecomunicazioni.

 
 
 

di ik0eln Giovanni Lorusso      

Il neutrino nel Modello Standard. Il nome neutrino fu coniato da Enrico Fermi come diminutivo del neutrone, altra particella neutra molto più massiccia. Poiché il neutrino interagisce debolmente, quando si muove attraverso la materia le sue possibilità di interazione sono molto piccole. Occorrerebbe un ipotetico muro in piombo spesso un anno luce per bloccare la metà dei neutrini che lo attraversano. I rivelatori di neutrini di solito contengono centinaia di tonnellate di materiale, costruito in modo tale che pochi atomi al giorno interagiscano con i neutrini entranti. In una supernova collassante, la densità del nucleo diventa abbastanza alta (1014 g/cm³) da intercettare parte dei neutrini prodotti.
Esistono tre tipi differenti di neutrino: il neutrino elettronico νe, il neutrino muonico νμ e il neutrino tauonico ντ, in diretta relazione rispettivamente con i leptoni del modello standard (elettrone, muone e tauone). La gran parte dell'energia di una supernova collassante viene irradiata in forma di neutrini, prodotti quando i protoni e gli elettroni del nucleo si combinano a formare neutroni. Questa reazione produce un flusso considerevole di neutrini. La prima prova sperimentale di questo fatto si ebbe nel 1987, quando vennero rilevati i neutrini provenienti dalla supernova 1987a. La massa dei neutrini e le sue conseguenze. Nel Modello Standard (MS) i neutrini sono ipotizzati esistere privi di massa. Tuttavia, esperimenti recenti suggeriscono che ciò sia falso. Infatti, flussi di neutrini possono oscillare tra i tre autostati di interazione, in un fenomeno conosciuto come oscillazione dei neutrini (che fornisce una soluzione al problema dei neutrini solari e a quello dei neutrini atmosferici). Questo, inevitabilmente, induce a modificare il MS, introducendo dei termini nuovi per soddisfare la richiesta che i neutrini siano particelle dotate di massa.
 
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