di  -  martedì 14 giugno 2011

Avrete forse notato che nelle ultime settimane non è apparso nessun post per la rubrica “Gatto di Shroedinger”. La ragione della mia assenza è stata che sono ritornata momentaneamente ad Amsterdam per la discussione del mio dottorato, che ora è ufficialmente concluso e disponibile per il download in pdf a questo indirizzo. Mi sembra quindi giusto raccontarvi un po’ quello che ho fatto in questi ultimi quattro anni.

Storicamente l’uomo è sempre stato portato a ricercare spiegazioni sulla propria esistenza e sul mondo che ci circonda osservando il cielo. Ne abbiamo prova fin dagli antichi egizi, e anche in epoche precedenti l’osservazione degli astri ha sempre rappresentato una delle principali attavità di “ricerca” dell’uomo. Fino alla scoperta del telescopio, da parte di Galileo, le osservazioni erano però molto limitate, basandosi solo sull’occhio umano. Anche con l’avvento del telescopio, però, le cose sono cambiate relativamente poco. Fino all’inizio del XIXesimo secolo, infatti, le osservazioni erano limitate allo spettro visibile, ovvero solo la luce visibile dai nostri occhi. Fraunhofer ha cominciato una nuova rivoluzione, osservando che il Sole emette luce non soltanto nella banda visibile, ma in molte altre frequenze, più alte e più basse, non osservabili dall’occhio umano ma misurabili tramite appositi strumenti.  Di nuovo, però, le osservazioni erano limitate alla radiazione elettromagnetica. Esattamente come la luce non appare solo nel visibile, così le emissioni delle stelle e di eventi astrali non sono limitate alla radiazione elettromagnetica. Nel 1912 sono stati misurati per la prima volta i così detti “raggi cosmici”, ovvero particelle cariche (a terra fondamentalmente muoni) che vengono prodotte in vari processi galattici ed extragalattici e che arrivano fino a noi.

A basse e medie energie i raggi cosmici sono stati studiati in molti modi: tramite rivelatori posti su palloni aerostatici, o su satelliti orbitanti attorno alla Terra. Ad altissime energie, però, i raggi cosmici sono estremamente rari. A 10^19 eV avremo solo una particella per chilometro quadrato all’anno, e a 10^20 eV solo una particella per chilometro quadrato per secolo! È quindi molto difficile studiarle e comprenderne la composizione primaria (ovvero prima di interagire con le molecole atmosferiche terrestri) e l’origine. Un’altra difficoltà per la rivelazione dei raggi cosmici è che, appunto, sono particelle cariche. Questo vuol dire che nel loro lungo tragitto verso la Terra subiranno l’influenza di numerosi campi magnetici, generati da stelle e galassie, e quindi la loro traiettoria potrebbe venir curvata. Questo fa si che sia molto difficile puntare all’indietro e capire il punto di origine di queste particelle. Una possibile soluzione è osservare i neutrini, particelle molto particolari di cui abbiamo già avuto modo di parlare in passato. I neutrini sono particelle estremamente leggere (tanto che fino a poco tempo fa si pensava fossero completamente prive di massa) e prive di carica elettrica. Sono soggette solo alla così detta “interazione debole”, ovvero la più debole di tutte le interazioni esistenti in natura. Per questo, è molto improbabile per un neutrino di venir fermato nel suo percorso verso la Terra, può attraversare intere galassie e raggiungerci senza aver mai modificato la sua traiettoria, visto che non interagisce coi i campi elettromagnetici.

Il problema, in questo caso, è proprio la scarsa voglia di interagire dei neutrini. Infatti, se attraversano anni luce di Universo, pensate quant’è la probabilità che interagiscano proprio nel pallino che è la nostra Terra. Eppure, ogni tanto, questo accade, e noi fisici siamo là pronti come falchi ad analizzare queste interazioni. In passato abbiamo già avuto modo di parlare di Antares e Km3NeT, uno l’evoluzione dell’altro. L’idea è che quando un neutrino interagisce con un nucleo terrestre, può  generare un leptone carico. Ovvero, può generare una particella a scelta tra elettrone, muone e leptone tau, a seconda del “sapore” del neutrino incidente. Questa particella carica viaggia nella Terra, in particolare nel Mar Mediterraneo, dove il nostro detector è situato. Quando una particella carica estremamente energetica viaggia in un mezzo, può emettere luce tramite un effetto chiamato Cherenkov. Tramite una lunga serie di fotomoltiplicatori, situati sul fondo del mare, è possibile rivelare questa luce, e ricostruire la traiettoria della particella carica, e quindi del neutrino iniziale. Per capire il principio di rivelazione dei neutrini, credo sia chiarissimo guardare questo video fatto da un mio collega (e in suo onore, vi chiedo di mettere il volume degli altoparlanti al massimo):

Come vedete dal video, nella stragrande maggioranza dei casi si crea una particella che lascia una “traccia” all’interno del rivelatore: questa particella è il muone. Ci sono però altri due tipi di neutrini, i neutrini elettronici e tau. In questo caso la particella che esce dall’interazione è un elettrone o un tau. A causa delle diverse masse di queste particelle, esse interagiscono in modo diverso con il mezzo (l’acqua marina) e quindi lasciano un segnale differente nel detector. Al minuto 1:25 del video vedete l’esempio di un neutrino elettronico.

Questo tipo di segnale è proprio quello che ho studiato durante la mia tesi. Nella prima parte del lavoro, ho sviluppato un algoritmo per il riconoscimento e la ricostruzione di questo segnale, che appare come della luce emezza uniformemente nel tempo a partire da un singolo punto nello spazio. Il problema sorge dal fatto che un simile segnale non è generato unicamente da neutrino cosmici. Ci sono molte altre sorgenti di luce, anche a quelle profondità marine. Per esempio i raggi cosmici, di cui abbiamo appena parlato, possono raggiungere anche queste profondità, e generare luce a loro volta. Inoltre, lavorando nel fondo del mare c’è anche il problema della così detta “bioluminescenza”: delle creature marine, tipo plankton, che emettono luce per comunicare e per altri motivi legati alla loro sopravvivenza. Queste bestioline rappresentano il principale rumore di fondo per esperimenti come Antares, e vanno quindi presi in considerazione.

Vi sono vari modi per ridurre questo rumore di fondo. Selezionando, per esempio, solo segnali che colpiscono almeno un certo numero di fotomoltiplicatori, o che hanno una forma compatibile con l’emissione di luce da parte di una particella carica.

In aggiunta a questi metodi, nella mia tesi ho considerato solo neutrini provenienti da una sorgente molto particolare: i gamma-ray bursts. I GRB, già nominati in questa rubrica, sono enormi esplosioni che avvengono nell’Universo, al collassare di una stella supermassiva, o durante la fusione di due buchi neri o di una stella a neutroni con un buco nero. In questi anni vi sono molti esperimenti atti a studiare i GRB: satelliti con rivelatori di raggi gamma che registrano in tempo reale l’esplosione di un GRB. Sarebbe molto interessante riuscire ad osservare un neutrino in coincidenza, temporale e spaziale, con un gamma-ray burst. Oltre all’interesse astrofisico, limitare l’osservazione a pochi secondi attorno al momento della registrazione del GRB, aiuta notevolmente a ridurre il background dell’analisi.

L’ultimo anno di lavoro è stato quindi dedicato allo sviluppo di un’analisi per l’osservazione dei neutrini in coincidenza coi GRB. Per i GRB osservati (avvenuti durante l’anno 2008) nessun neutrino è stato rivelato. Non potendo quindi dichiarare nessuna scoperta (ahimé) l’analisi si è concentrata nel porre un limite al possibile flusso di neutrini emessi da ciascuno di questi GRB, basandosi su modelli teorici disponibili in letteratura. In pratica, questo vuol dire che la conclusione è: io non ho visto niente, facendo questo tipo di analisi, per cui quasto GRB non può aver emesso più di tot neutrini, altrimenti io li avrei visti.

Non è il massimo delle conclusioni, ma benvenuti nel mondo della fisica! :-)

20 Commenti »

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  • # 1
    [D]
     scrive: 

    “Fino alla scoperta del telescopio, da parte di Galileo, le osservazioni erano però molto limitate, basandosi solo sull’occhio umano”

    Non sono mai riuscito a dare un senso a questa frase. Se prima di Galileo, i bipedi si limitavano a fare il binocolo al cielo con pollice ed indice, come diavolo hanno fatto Maya, Babilonesi, Egizi, Sumeri, Cinesi e chissà quanti altri a fare misurazioni astronomiche incredibili ?
    Se è vero che non avevano la nostra tecnologia e buona parte delle nostre conoscenze matematiche, come facevano a fare certe misurazioni ?

  • # 2
    ECCE ALIEN
     scrive: 

    Da assoluto profano devo dire che l’impressione per l’individuo comune come me è che ormai la fisica astronomica abbia debordato dalla realtà e viaggi nel mondo dell’ipotetico, supportato da calcoli telescopici che osservano, solo per via matematica, oggetti solo matematicamente possibili. Ad esempio il neutrino, che dovrebbe esistere dappertutto, anche se inosservabile, ma intercettabile però, sarà! per algoritmi, mi pare interprete di una realtà simile a quella delle particole consacrate: non pane bianco ma rossa carne di un lontano soggetto sacro, ma solo per chi le veda con occhi privi di retina ma ricchi di leggenda. Zichichi aveva anche dimostrato per algoritmo niente meno che la stessa esistenza di Dio; un neutrino sarebbe più logico, anche più credibile, per chi non sa ragionare ed è costretto a credere, qualsiasi altra cosa sarebbe più logica, ma almeno aspettiamo di vederla prima di parlarne.

  • # 3
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    I neutrini si vedono eccome, non ci sono dubbi sulla loro esitenza: se ne studiano le proprietà e se ne conoscono le caratteristiche. Qui si studia la sorgente, e non la particella in se, per capire se i processi che avvengono nello spazio producono queste particelle a determinate energie. Neutrini dal sole o dalle centrali nucleari si misurano e si studiano quotidianamente.

  • # 4
    aceto876
     scrive: 

    Da quello che posso capire dal filmato, la direzione del leptone la si desume dall’ordine temporale in cui i vari rilevatori vengono raggiunti dal fronte d’onda della radiazione di Cherenkov
    Ma quei rilevatori a grappoli ancorati al fondo del mare non vengono disturbati dal movimento dell’acqua? Mi spiego meglio: se una corrente marina fa ondeggiare il grappolo, le distanze relative tra i rilevatori possono cambiare. Questo non sballa il calcolo della direzione?

  • # 5
    aceto876
     scrive: 

    Dimenticavo: bravo al tuo collega per il lavoro sul filmato che è davvero ben fatto, ma la “musica” è OSCENA!

  • # 6
    aeternal
     scrive: 

    Mavvà, da quel non so che di Matrixoso al filmato :P
    A parte la musica del video (che sinceramente mi piace), ottimo e interessante articolo come sempre. Non so come funzionino i dottorati, tuttavia sarei curioso di sapere, sempre se non sia un segreto, la valutazione che hai ottenuto (sembre se esite).

  • # 7
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Non c’è valutazione in Olanda: o lo si prende o no :-P

    Per quanto riguarda il fatto che le linee si muovono con le correnti marine è vera. Non si muovono moltissimo, ma si muovono, per cui è importante calibrare il riveatore. Ci sono molti sistemi per farlo: gps, bussole e dei faretti laser/LED per sapere in ogni momento dove si trovano i fotomoltiplicatori!

  • # 8
    Cesare Di Mauro
     scrive: 

    Al solito, qualche domanda da inesperto. Sebbene abbiano una piccolissima massa, i neutroni non dovrebbero essere comunque soggetti alla forza di gravità?

    In tal caso le loro traiettorie potrebbero cambiare se soggette a forti campi gravitazionali.

    Poiché quasi tutte le galassie al centro hanno un bel buco nero (bello per modo di dire, ma per gli astrofisici sono oggetti affascinanti e penso che l’aggettivo gli si addica :D), interrompere il loro cammino e rimanere intrappolati nella singolarità?

  • # 9
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    I neutrini sono certamente soggetti alla forza gravitazionale, ma in questo caso è grandemente trascurabile rispetto al resto. La forza debole, per quanto debole, è comunque molto più forte della forza gravitazionale, per cui talvolta succede che dei neutrini interagiscono in altre stelle o pianeti che sono presenti nel cammino, ma è molto raro e viene trascurato nel computo dei flussi. Bisogna però tener conto dell’oscillazione dei neutrini da un sapore all’altro…

  • # 10
    Pluto
     scrive: 

    Mi sembra di capire che nella tua tesi tu abbia ipotizzato di rilevare uno sciame di neutrini che colpiscono la Terra in corrispondeza temporale con un GRB.
    Sei giunta alla conclusione che non c’è questo sciame, o se c’è deve essere molto debole.

    Potrebbe invece avvenire in ritardo rispetto al GRB?
    Come con un fulmine e il tuono, tanto per capirci.

  • # 11
    A.Zivelonghi
     scrive: 

    Bel contributo e complimentoni da Monaco Dr. Presani!

    anzi complimenti doppi per aver saputo conciliare un dottorato impegnativo e la tua attivita di blogging scientifico.

    pultroppo da dove sono non riesco a vedere il video..
    (Unfortunately, this SME-music-content is not available in Germany because GEMA has not granted the respective music publishing rights.)
    °__°

  • # 12
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Orpo, non immaginavo che ci fossero problemi di copyright!

    @Pluto
    Si, è possibile che i neutrini arrivino in ritardo, tramite quello che si chiama “afterglow”. Può accadere da poche ore fino a diversi giorni dopo il GRB stesso!

  • # 13
    Marco
     scrive: 

    “Fino alla scoperta del telescopio, da parte di Galileo, le osservazioni erano però molto limitate, basandosi solo sull’occhio umano”

    > Non sono mai riuscito a dare un senso a questa frase.

    Te ne do un’altro ;-)
    Pur essendo un platonista credo che “invenzione” sia più adatto di “scoperta”, parlando di uno strumento.
    Secondo, pur riconoscendone a Galileo il perfezionamento, la genesi dello strumento è riconducibile a Hans Lipperhey e Jacob Metius:

    http://galileo.rice.edu/sci/instruments/telescope.html

  • # 14
    [D]
     scrive: 

    ““Fino alla scoperta del telescopio, da parte di Galileo, le osservazioni erano però molto limitate, basandosi solo sull’occhio umano””

    Eppure sul misero occhio umano, intere civiltà hanno descritto il cosmo con una precisione da brividi. Già solo arrivare a calcolare con precisione il calendario è qualcosa di assolutamente notevole. Se poi sono vere tutte quelle storie sull’orientamento delle piramidi, complimenti al misero occhio umano…

  • # 15
    Flare
     scrive: 

    Con l’occhio umano si possono fare osservazioni che erano state importanti nell’antichità e non dimentichiamo che esistevano strumenti come l’astrolabio. Ovviamente non è necessario un telescopio per scoprire il ciclo di Saros e fare quello che facevano i babilonesi, greci, egiziani… Tuttavia è ovvio che con uno strumento che consente di vedere oggetti ben più deboli e più in dettaglio è possibile osservare e ottenere ben altre informazioni, per non parlare degli strumenti moderni che consentono di osservare ben oltre il solo spettro visibile.

  • # 16
    Enrica Samperi
     scrive: 

    A me la musica del filmato piace molto! Complimenti anche per il disegno..;)

  • # 17
    Antonio Conti
     scrive: 

    Gent.ma Eleonora Presani, ringrazio per l’apprezzabilissima rubrica e per gli ottimi spunti forniti di volta in volta.
    Vorrei solo introdurre un piccolo “dubbio”: nel post di martedì 14 giugno 2011 alle ore 20:52 dice “talvolta succede che dei neutrini interagiscono in altre stelle o pianeti che sono presenti nel cammino, ma è molto raro e viene trascurato nel computo dei flussi”.
    E ciò può essere comprensibile . . . però mi ha fatto venire in mente alcuni “personaggi famosi” . . . Chen Ning Yang e Tsung-Dao (T.D.) Lee i quali proprio per l’ostinazione “pignola” di non volere trascurare alcuni termini dell’Hamiltoniana che descriveva il decadimento del 60Co (termini che -appunto “per tradizione”- venivano solitamente trascurati) . . . accidentalmente scoprirono la non conservazione della parità nel decadimento beta, suggerirono un bell’esperimento (realizzato da “Madame” Wu) e . . . vinsero il Nobel nel 1957!
    Auguri, in bocca al lupo per la sua carriera e ancora grazie per le gradite informazioni!!

  • # 18
    Davide
     scrive: 

    >Te ne do un’altro ;-)
    >Pur essendo un platonista credo che “invenzione” sia più adatto di “scoperta”, parlando di uno >strumento.
    >Secondo, pur riconoscendone a Galileo il perfezionamento, la genesi dello strumento è >riconducibile a Hans Lipperhey e Jacob Metius
    > Marco

    Infatti a galileo ha scoperto l’utilizzo del telescopio in campo astronomico, e l’ha perfezionato….

  • # 19
    alex74
     scrive: 

    http://lescienze.espresso.repubblica.it/articolo/Il_sapore_mutevole_dei_neutrini/1348307

    ma in che modo la rilevazione che i neutrini muonici possono trasformarsi in neutrini elettronici potrebbe dare una spiegazione del fatto che c’e’ piu’ materia che antimateria nell’universo?
    Come si collegano le due questioni?

  • # 20
    Zonda
     scrive: 

    Eleonora,
    Mi piacerebbe sapere come mai non hai pubblicato un 3d riguardo all’esito dei referendum sul nucleare, visto che nei mesi scorsi l’argomento è stato ampiamente trattato da te….

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