di  -  lunedì 27 giugno 2011

L'interno della montagna di Kamioka, con i fotomoltiplicatori di Super Kamiokande

Quelli di voi che seguono da tempo questa rubrica, sono certamente ormai esperti sulle peculiari particelle chiamate neutrini, e del loro ruolo nel Modello Stardard. Per gli altri, facciamo un brevissimo riassunto.

I neutrini sono particelle leggerissime, con massa quasi nulla (quasi, però!), privi di carica elettrica e soggetti solo e soltanto alla “forza debole”, ovvero la forza responsabile del decadimento nucleare. Per esempio, pensiamo al neutrone, la particella neutra che, assieme al protone, compone il nucleo atomico. Il neutrone non è una una particella stabile ma, se lasciato libero fuori da un nucleo, dopo circa 885 secondi decade in un protone. Per tener conto della differenza di massa tra il neutrone più pesante, e il protone più leggero, l’energia restante deve essere emessa sotto altra forma: il neutrino, appunto.

I neutrini fanno parte della famiglia dei “leptoni“, ovvero sono i fratellini più leggeri e senza carica degli elettroni. Come i fratelli carichi (elettroni, muoni e tau) anche i neutrini si presentano in natura in tre tipi di “sapore“, neutrino elettronico, muonico e tau.

La ragione, secondo me, principale per cui i neutrini sono particelle così interessanti è che rappresentano in un certo senso l’anello di congiunzione tra la fisica delle particelle sviluppata negli ultimi 50 anni, ovvero il Modello Standard, e la “nuova fisica“. Con nuova fisica spesso si intende la ricerca di nuove leggi che possano spiegare fenomeni che attualmente non riescono ad essere spiegati, o almeno non completamente, dal Modello Standard. In particolare il Modello Standard prevede che i neutrini siano completamente privi di massa, esattamente come i fotoni.

Tutto bene, finché alla fine degli anni ’60 il fisico R. Davis non si è messo in testa di validare il modello di produzione energetica del Sole (la fusione atomica) rivelando a Terra i neutrini emessi dal Sole. Durante la fusione atomica che avviene nelle stelle, infatti, si generano un gran numero di neutrini, tutti di sapore “elettronico”. Facile a dirsi ma difficile a farsi, però, perché l’esperimento di Davis, per quanto di ottima realizzazione, riusciva a vedere  solo un terzo dei neutrini che ci si aspettava da Sole. Si è dovuto aspettare l’anno 2000 per capire la radice del problema. L’esperimento SNO, infatti, è in grado di riconoscere non solo i neutrini elettronici, ma anche quelli di altri “sapori”. Si è quindi osservato che i neutrini prodotti dal Sole, per quanto di natura elettronica all’origine, cambiano il proprio sapore durante il loro viaggio verso la Terra, arrivando anche sotto forma di neutrini muonici e tau.

Gli anni successivi hanno visto un proliferare di esperimenti atti a comprendere le proprietà fisiche dei neutrini e la fisica delle “oscillazioni” (ovvero la proprietà di cambiare sapore), soprattutto grazie agli sforzi di gruppi italiani (situati nei Laboratori del Gran Sasso) e giapponesi (nella miniera di Kamioka). Molto si è capito, ma tanto è ancora da scoprire. Uno dei problemi sorge dal fatto che per poter spiegare l’oscillazione dei neutrini è necessario che questi ultimi abbiano una massa. Molto piccola, è vero, ma pur sempre diversa da zero. Questo va contro la fisica del Modello Standard, e richiede qualche trucco per essere spiegato senza ricorrere a nuove teorie.

Fin qui possiamo anche accettarlo, ma ci sono altre cosa da comprendere. Tramite l’osservazione di neutrini solari e neutrini atmosferici si è riusciti a porre dei limiti molto restrittivi sulla differenza tra le masse dei neutrini presi a coppie (1-2, 2-3). Inoltre la probabilità di un neutrino di oscillare verso un altro neutrino dipende dal sapore del neutrino: non è sempre uguale per tutti. Attualmente uno dei maggiori sforzi per lo studio delle proprietà fisiche dei neutrini è fatto dall’esperimento T2K (Tokai-to-Kamioka), in Giappone. Il recente acceleratore di protoni presente in Giappone (J-Parc) produce anche un fascio di muoni, degli elettroni più pesanti che decadono in elettroni, producendo anche neutrini. Si ha quindi un fascio collimato di neutrini che arriva fino alla montagna di Kamioka, dove il rivelatore di Super Kamiokande può studiare queste particelle, come si può capire dalla figura qui sotto.

Il 15 Giugno scorso, l’esperimento T2K ha pubblicato un risultato veramente molto interessante: ha infatti osservato l’oscillazione di neutrini muonici in neutrini elettronici. Embé, direte voi, non è quello che si sapeva già? Non proprio, infatti come ho detto la probabilità di oscillazione dipende dal tipo di neutrino, e finora si pensava che la probabilità di oscillazione da neutrino muonico a elettronico fosse nulla. Questo risultato ha delle conseguenze molto interessanti, soprattutto se affiancato ai risultati dell’esperimento americano MiniBooNe e la cosi detta anomalia LNSD, ovvero l’osservazione che gli antineutrini (le anti particelle dei neutrini) oscillano di più dei neutrini. Queste osservazioni aprono nuove finestre nella fisica moderna, che potrebbero aiutarci a spiegare la differenza tra materia e antimateria nell’Universo e a comprendere a fondo l’interazione debole, che ci porta a cercare così tenacemente il Bosone di Higgs, ma che forse può avere anche altre spiegazioni…..

17 Commenti »

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  • # 1
    dubbioso
     scrive: 

    ma i vari neutrini non hanno massa diversa tra loro?
    da dove la prendono, la differenza di massa per le loro oscillazioni?

  • # 2
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Si, i neutrino hanno massa diversa, la differenza di massa è esattamente la differenza tra la massa di un neutrino e l’altro…

  • # 3
    Shad
     scrive: 

    Ciao Dubbioso, bella domanda. Posta in modo non molto chiaro, mi pare che Eleonora non l’abbia colta.. :)
    Tu dici, se hanno massa diversa, com’è possibile che oscillino conservando l’energia?

    Lascio che sia Eleonora a rispondere, anche perché io non ho un ricordo sufficientemente preciso del meccanismo…
    Ti posso dire che in effetti se fossero di massa nulla non potrebbero nemmeno oscillare (cosa, questa, che trovi scritta anche qui nell’articolo).

    L’idea è che gli autostati di sapore (gli stati di sapore definito: cioè il neutrino è e, mu o tau) non sono anche autostati di massa.

  • # 4
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Shad, hai ragione, non avevo capito la domanda :-P

    Ho cercato di evitare di parlare di autostati di sapore diversi da autostati di massa, perché non è un concetto facile da capire…

    Diciamo così: i neutrini diventano neutrini elettronici, muonici o tau solo nel momento in cui noi li misuriamo con il nostro rivelatore. Al contrario, mentre viaggiano liberi, non sono né elettronici né altro, ma sono una mistura di tutti. In pratica, mentre un neutrino viaggia non è un neutrino elettronico o che, ma è per una certa percentuale elettronico, per una certa percentuale muonico e per una certa percentuale tau. Quando lo riveliamo col detector, è come se gli facessimo una foto in un istante preciso, e quindi nel rivelatore ci apparirà come neutrino elettronic, muonico o tau….

    più chiaro?

  • # 5
    massimo
     scrive: 

    Non so loro cos’hanno capito da tuo discorso, Eleonora, ma quello che ho capito io è che nella meccanica quantistica massa ed energia sono due fregnacce che non gliene frega niente a nessuno :-D

  • # 6
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Massimo,
    hai ragione, ma solo per un lasso di tempo molto breve: allo scadere del tempo mass ed energia si incavolano e vengono a chiedere il conto! ;-P

  • # 7
    Pino Grasso
     scrive: 

    Cosa misura esattamente il rivelatore?

    Quale grandezza fisica misurata distingue un neutrino dall’altro?

  • # 8
    Antonio Barba
     scrive: 

    mi accodo alla domanda di @Pino Grasso.

    Mi pare di aver letto che i neutrini interagiscono in qualche modo con l’acqua presente in una enorme vasca, producendo una coppia di fotoni con un certo angolo, e una energia ben precisi. E’ corretto o ricordo male?

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

    I neutrini interagiscono con i nuclei della materia (per esempio, come dice Antonio, acqua) con un’interazione che si chiama “deep inelastic scattering”, ovvero interazione altamente inelastica. Per capirci, quando due palle da biliardo si scontrano l’una con l’altra e rimbalzano in direzioni opposte, l’interazione è stata elastica. Quando invece siamo in autostrada e un moschino si spiattella sul nostro parabrezza rimanendo una macchia indistinta, allora l’interazione è stata altamente inelastica. (http://en.wikipedia.org/wiki/Deep_inelastic_scattering)
    Quando un neutrino, piccolissimo ma altamente energetico, si scontra con un nucleo atomico (in realtà interagento solo con una piccola parte di esso – un “partone”, per esempio un protone) gli trasferisce la gran parte della propria energia. Questa energia viene quindi sputata fuori sotto forma di un altro leptone, non più un neutrino, ma un leptone carico. Se il neutrino interagente è un neutrino elettronico, allora apparirà un elettrone. Se il neutrino era muonico apparirà un muone. Elettroni e muoni sono ben riconoscibili gli uni dagli altri. Il rivelatore è come dice Antonio una mega boccia d’acqua, con attorno dei fotomoltiplicatori, ovvero dei tubi che raccolgono la luce per trasformarla in una differenza di potenziale – il segnale. Gli elettroni iniziano una cascata elettromagnetica, che si presenta nel rivelatore come un anello di luce. I muoni invece perdono energia più lentamente, e quindi si vedono piuttosto come una striscia, o un punto, a seconda. Ecco un esempio di un evento in T2K:
    http://www.symmetrymagazine.org/breaking/wp-content/uploads/2010/02/T2KfirstEvent2.gif

  • # 10
    Antonio Barba
     scrive: 

    @Eleonora: grazie per la spiegazione :-)

  • # 11
    Pino Grasso
     scrive: 

    Grazie per le info.
    Quando dici che i neutrini “oscillano” e che questo indica la presenza di piccola massa, cosa intendi di preciso?

    Cosa rivela la loro oscillazione ed in che modo oscillano?

    Altra curiosità: i diversi “sapori” se sono intercambiali tra loro durante il volo dei neutrini potrebbero essere una diversa configurazione del loro modo di “essere” ?

  • # 12
    ECCE ALIEN
     scrive: 

    I neutrini sono ovunque a sciami innumerevoli e non schermabili. Un rivelatore di neutrini è composto da una grande (in termini umani) massa di un certo materiale, qualche particella del quale viene da essi colpita con enorme rarità statistica, generando una catena di effetti di cui l’ultimo anche osservabile. Per poter dire che i rarissimi impatti siano effetto dei neutrini, occorrerebbe verificare che nessun impatto di tal genere avvenisse in assenza di neutrini; ma poichè il corpo del rivelatore non è da essi schermabile in alcun modo, logica imporrebbe di parlare solo di mere ipotesi.

  • # 13
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Caro Ecce Alien,
    cosa stai dicendo???
    La fisica non è una specie di religione o filosofia, è una scienza…

  • # 14
    battagliacom
     scrive: 

    Penso che ECCE ALIEN vuole dire che noi riusciamo a vedere solo gli effetti che i neutrini producono. Ma non possiamo sapere se questi effetti possono essere dovuti anche a qualche altra causa.

  • # 15
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Lo scopo dell’analisi dei dati è esattamente questo, ed è il punto assolutamente più importante della fisica sperimentale. La comprensione del detector, la calibrazione minuziosa, l’analisi statistica del background sono l’essenza del lavoro del fisico e non viene certo liquidato con “mere ipotesi”!!!

  • # 16
    ECCE ALIEN
     scrive: 

    Nessuno qui intende ergersi a giudice, specie un ometto della strada come me. Ma se la fisica viene supportata oggi dalla matematica, credo od anche solo penso o sospetto che anche la matematica venga supportata dalla logica: la logica umana però segue parecchie strade, perciò può anche darsi che non sempre imbocchi quella giusta. Voglio dire, e sarò contento se verrò redarguito, che, forse, tutti gli elementi in natura sono radioattivi, con la sola differenza tra quelli che vengono indicati come tali e quelli che invece vengono definiti come stabili, dei tempi del decadimento radioattivo. Un certo numero di atomi di Uranio 235 sul totale della massa in esame continua a trasformarsi ed a emettere radiazioni, mentre pochissimi atomi di un elemento non radioattivo subiranno una trasformazione ed emetteranno radiazioni una volta ogni diecimila anni, se va bene, e tanto per dire: se questo può essere vero, allora chi può dire che gli atomi del rivelatore di neutrini non siano proprio essi a provocare, proprio con le loro proprietà radioattive, i fenomeni che il rivelatore permette di cogliere e di attribuire ai neutrini? E’ questo quel che volevo intendere nel mio primo intervento. Sempre da uomo della strada però, da curioso. Una risposta mi arriverà di sicuro, e allora ringrazio.

  • # 17
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Ecce Alien,
    il difficile dell’analisi dati è proprio comprendere quali altri elementi possono generare un segnale simile a quello che viene cercato. Non è che si osserva un segnale e si dice “spero sia un neutrino”. Quando si pubblica il risultato viene presentato assieme ad una percentuale di confidenza con cui si può dire che que segnale è proprio quello che ci si aspetta. Nel caso di T2K, hanno presentato il loro risultato sostenendo di aver visto l’apparizione di 6 neutrini eletronici con un livello di confidenza di circa 99%. C’è ancora circa l’1% di probabilità che quello che hanno visto fosse background (nel caso specifico i segnali che possono essere confusi sono la presenza di neutrini elettronici intrinsechi nel fascio, oppure la presenza di pioni).
    Si studia in modo molto approfondito la topologia del segnale e si studiano tutte le possibili sorgenti di rumore, ovvero qualsiasi altra cosa che possa produrre un segnale simile a quello che siamo cercando. Si deve capire quanto simile è e che probabilità c’è che produca quel segnale. Nulla viene lasciato al caso, ma si deve fare un’analisi statistica approfondita per valutare la probabilità che quello che abbiamo osservato sia un falso evento…

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