di  -  lunedì 30 novembre 2009

Dopo il post della settimana scorsa sul primo evento dell’LHC mi sembra giusto ricordare che ci sono altri esperimenti di fisica in giro per il mondo e, in particolare, uno ha avuto i primi eventi lo scorso weekend.

Questo risultato è stato ottenuto nell’acceleratore J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), in Giappone, gestito dalla collaborazione dell’esperimento T2K , capeggiato dal Giappone ma che coinvolge ben 474 fisici in 13 nazioni differenti.

L’acceleratore J-PARC è sostanzialmente una fabbrica di neutrini (da non confondersi, però, con la neutrino factory , il suo equivalente occidentale) che spedisce queste interessantissime particelle su un rivelatore già noto nell’ambiente, ovvero Super Kamiokande.

Il Giappone è stato pioniere nella ricerca sui neutrini, con esperimenti di incredibile successo, come appunto Super Kamiokande e KamLAND .  È proprio a questi esperimenti che si deve la scoperta e la prova scientifica dell’oscillazione dei neutrini.

I neutrini sono particelle piccolissime che, fino a qualche anno fa, si credevano essere completamente prive di massa, come i fotoni. Sono stati teorizzati la prima volta nel 1930, dal fisico Pauli, per spiegare il bilanciamento dell’energia nel processo di decadimento del neutrone. La prima osservazione però non è avvenuta che nel 1942, dal noto esperimento di Cowan-Reines che ha fruttato agli autori il premio Nobel nel 1993.

Il neutrino è una particella molto controversa, innanzi tutto perché interagisce veramente molto poco con la materia, e quindi è estremamente difficile da rivelare. In secondo luogo rappresenta una porta verso la nuova fisica. Infatti i neutrini possono essere di tre tipi diversi, esattamente come la loro controparte massiva. Fanno parte della stessa famiglia degli elettroni, ovvero sono anch’essi dei leptoni. L’elettrone ha due “fratelli”, che sono il muone e il tau, che differiscono dall’elettrone solo per la massa.

Così, anche i neutrini possono essere di tre tipi: elettronici (cioè come l’elettrone), muonici (da muone) e neutrini tau (come il leptone tau). La caratteristica sorprendente dei neutrini, però, è che possono oscillare da una famiglia all’altra, ovvero se ho un neutrino elettronico adesso e lo faccio viaggiare per una certa distanza, questo avrà una certa probabilità di trasformarsi in un neutrino muonico o tau.

Questo fenomeno ha lasciato a bocca aperta i fisici di tutto il mondo, soprattutto perché sarebbe del tutto impossibile se i neutrini non avessero massa. Così grazie agli esperimenti sopra citati si è riuscito a provare che i neutrini oscillano (per esempio creando un fascio di neutrini elettronici, per esempio dalle centrali nucleari, e contando quanti sono ancora elettronici dopo una certa distanza) e di conseguenza che, seppur piccolissima, hanno una massa.

Questa osservazione è di estrema importanza perché è il punto di passaggio tra il Modello Standard, ovvero la classificazione delle particelle accettata finora, e una nuova fisica. Il Modello Standard, infatti, non accetta che i neutrini possano avere una massa.

Acceleratori come l’LHC sono alla ricerca di particelle esotiche che vivono al di fuori del Modello Standard ma, in realtà, uno studio approfondito del neutrino può rispondere ad altrettante domande e rivelarsi di grandissimo interesse scientifico.

In Giappone sono già molti anni che si stanno impegnando in questa direzione, ultimamente con l’esperimento K2K che consisteva in un fascio di neutrini provenienti dal laboratorio KEK e poi studiati nel rivelatore di Super Kamiokande, nella montagna di Kamioka.  Questo esperimento si è evoluto in T2K che vede i neutrini inviati dal laboratorio J-PARC a Tokai.

Questo laboratorio consiste in un anello di sincrotrone (analogo a quello presente in Italia a Trieste ) che accelera protoni a 30 GeV per farli collidere con un bersaglio di carbonio, al fine di creare particelle cariche chiamate pioni.

Questi pioni viaggiano conseguentemente in un volume di elio dove decadono producendo così i neutrini. I neutrini così prodotti andranno fino all’osservatorio di Super Kamiokande, ma prima passano per un rivelatore vicino, a soli 200 m dal punto della loro produzione, in modo da poter fare dei confronti con l’osservazione finale che si trova a ben 295 km di distanza.

Mentre il laboratorio di Super Kamiokande, seppur rinnovato per l’occasione, esiste già da molti anni, l’acceleratore di J-PARC è nuovissimo. Per questa ragione i primi 3 neutrini osservati lo scorso weekend nel rivelatore vicino chiamato INGRID rappresentano un passo importantissimo per la fisica dei neutrini.

Nel prossimo Dicembre ci saranno ulteriori test, per arrivare a regime nel Gennaio del prossimo anno, quando si potranno osservare eventi direttamente da Super Kamiokande. Il funzionamento andrà avanti per tutta l’estate, e alla fine del prossimo anno potremmo già avere i risultati, che potranno spiegare fenomeni di estremo interesse, come la violazione della simmetria carica-parità, e la misurazione precisa delle probabilità di oscillazione tra le tre famiglie leptoniche.

Fonte: Stony Brook University. “With First Neutrino Events, Physicists Closer to Answering Why Only Matter in Universe.” ScienceDaily 27 November 2009. 29 November 2009 .

27 Commenti »

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  • # 1
    Simone
     scrive: 

    L’impiego dell’acceleratore e gli esperimenti ad esso correlati sono estremamente affascinanti… in Svezia avevo la stanza affacciata sul MaxLab, dove dovrebbe essere trovarsi un acceleratore, anzi, per quel che ne so dovrebbero essere 3… a quando un post su quello? :-D

  • # 2
    Mirko
     scrive: 

    se per questo ce ne dovrebbe essere da anni anche uno da noi sotto il gran sasso. senza andare a scomodare gli svedesi

  • # 3
    Phil
     scrive: 

    http://www.lngs.infn.it/

  • # 4
    Simone
     scrive: 

    Tra l’altro dovrebbe anche essere piuttosto importante quello del Gran Sasso… solo che ci lavoravo vicino all’acceleratore del MaxLab ed ero curioso… ma credo che acceleratori ce ne siano molti nel mondo… la mia era più una battuta che altro :-D

  • # 5
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Al Gran Sasso non c’è un acceleratore, ma un rivelatore di neutrini. Ritornerà in auge non appena l’LHC entrerà a pieno ritmo, poiché continueranno con l’esperienza di Opera, che dal 2006 osserva neutrini provenienti dall’acceleratore del CERN

  • # 6
    n0v0
     scrive: 

    mamma mia, 3 (TRE!) neutrini osservati….

    Piero, Giovanni e Luigino :-)))))

    si contano davvero sulle dita le interazioni dei suddetti con la materia.

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

    No, no, no….
    Luigino, detto Nino, non era quello in Giappone, ma proprio quello del Gran Sasso!
    Ecco un bellissimo video fatto dai ragazzi di Roma:
    http://www.youtube.com/watch?v=dhkCMO1lG7g

  • # 8
    n0v0
     scrive: 

    molto carino il video! non lo conoscevo

    Nino il neutrino.. ;-)

  • # 9
    D
     scrive: 

    Mi sto chiedendo una cosa: ma alla fine, cosa serve fare questo tipo di studi ? Oltre la ricerca fine a se stessa s’intende.
    Ci sono degli obiettivi reali, fantascientifi da star trek o per carità anche venali come potevano averli gli alchimisti di trasformare il piombo in oro o semplice curiosità ?
    Ed ammettendo anche che il tutto si regga veramente sulla semplice venalità di trasformare un blocco di piombo in oro, se una simile operazione fosse possibile ma ad un costo energetico che il valore dello stesso blocco non sarebbe neppure lontanamente in grado di coprire, a quel punto cosa sarebbe servito ?
    Sia chiaro, non vuole essere una critica, quindi il primo che capisce rape per cavoli, gli caccio personalmente il blocco di piombo in bocca (con pace e amore s’intende :P)

  • # 10
    droid
     scrive: 

    @ D we l’idea del satellite l’ha avuta uno scrittore di fantascienza…^^

  • # 11
    D
     scrive: 

    satellite ?

  • # 12
    alessandro
     scrive: 

    @ D

    oggi, l’utilità è puramente scientifica. Una volta scoperto un fenomeno, potrebbero esser necessari 10 20 anni prima di arrivar a impieghi pratici.

    Però pensa alle memorie a stato solido, che si basano sull’effetto tunnel… quando si studiavano queste cose per la prima volta era circa l’inizio del 1900, e nessuno pensava si potesse arrivare a impieghi seri

    Per non parlare del fatto che se il modello standard cade, si deve creare un modello sostitutivo, e questo potrebbe portare alla scoperta di fenomeni diciamo “banali”, imprevisti utilizzabili quasi immediatamente…

  • # 13
    Cesare Di Mauro
     scrive: 

    Se per il modello standard i neutrini non possono avere massa, ed è stato dimostrato invece che ce l’hanno, non è automaticamente caduto (nel senso che DEVE essere sostituito da un altro che preveda la massa per il neutrino)?

  • # 14
    D
     scrive: 

    “oggi, l’utilità è puramente scientifica.

    Quindi il percorso comincia con una pura curiosità e non un’idea fissa come si crede in giro. Ma proprio non esiste niente niente niente, neppure un minimo sospetto, delle teorie tenute in piedi con lo scooch che giustificherebbero certe operazioni ?
    Quello che vorrei capire è questo. Se un gruppo di fisici si presentasse ad un governo e chiedesse di farsi finanziare il proprio acceleratore personale, che avrebbe quindi costi enormi, intesi come produzione, manutenzione e funzionamento, cosa va a raccontare al politico ignorante di turno ? Quali promesse o speranze può cercare di presentare sul piatto per strappare la grana ? [comic mode on] che vogliono trovare altre palle che girano ? (quando per quelle ci basta vedere le sedute del parlamento in tv) [comic mode off]
    Visto e considerato che ciclicamente i politicanti populisti prendono il potere e la gente comune sa soltanto che questi cosi enormi consumano tanta di quella corrente che in pochi sarebbero capaci di leggere il numero a N zeri del conto della bolletta, cosa si può offrire a questa massa che non siano delle teorie, quasi delle dichiarazioni di fede sull’esistenza di palline di vario genere ?

  • # 15
    dargor17
     scrive: 

    @ Eleonora: Guarda che al Gran Sasso c’è anche un acceleratore! La macchina in sé non è nulla di speciale, ma l’esperimento LUNA che ne fa uso ha svolto e sta svolgendo misure estremamente interessanti di sezioni d’urto delle reazioni che avvengono nel Sole ad energie quanto più possibile vicine al picco di Gamow.

    E già che siamo in tema di altri acceleratori, vorrei ricordare che in Italia sono presenti acceleratori anche ai Laboratori Nazionali INFN di Legnaro e di Catania, dove si svolgono esperimenti di fisica nucleare con ioni pesanti. Anche a Frascati è presente un laboratorio INFN, ma mi pare che la loro macchina, DAFNE, sia stata chiusa…

  • # 16
    n0v0
     scrive: 

    x Cesare di Mauro

    il Modello Standard non va cambiato. Va esteso. È differente la cosa. Il fatto che non preveda la massa dei neutrini non vuol dire che sia sbagliato. Deve essere inserito in una teoria di più ampio respiro che ne includa i meccanismi attuali e li estenda, appunto, ai fenomeni non risolti.

    Come le leggi del moto di Newton. Sono valide a basse velocità. Quando questa aumenta ecco che non vanno più bene e arriva in soccorso la relatività ristretta.

    È semplicemente una questione di ambito di validità di una teoria: ognuna ha il suo territorio (più o meno grande). L’ idea di fondo è giungere a una meta-teoria che le incorpori tutte.

    x D

    gli scienziati sono curiosi. La curiosità, la capacità di stupirsi e il dubbio sono elementi base della scienza, oserei dire l’ anima stessa della ricerca scientifica.

    È vero. Se si va a sondare in fondo, non c’ è altro che un desiderio di scoprire quasi bambinesco. Tale è la ricerca pura.

    Il risultato pratico è accessorio. Può anche essere di vasta portata, ma è un accidente, un fatto secondario, non il motore di tutto. Chi finanzia queste cose – spero – se ne renda conto.. Altrimenti non saprei che dire loro.

    Ti consiglio “Il piacere di scoprire”, di Richard Feynman, godibilissimo libretto sulla questione. Fila come l’ olio e dà spunti di riflessione a volontà

  • # 17
    D
     scrive: 

    “Il risultato pratico è accessorio.”

    Il problema sono i costi che proprio accessori non sono. Qui non stiamo parlando del canocchiale di galileo che è fatto con due pezzi di vetro tenuti con il rotolo dello scottex (beh + o -) ma di strutture immense per dimensioni e costi. Uno scopo, una speranza pratica, i finanziatori di questi progetti sono sicuri che ce l’hanno e sarebbe carino conoscerli magari aiuterebbe chi fisico (per fede) non è ad appassionarsi all’argomento.
    Del resto vogliamo credere che tutti quelli che si sono messi a studiare certe cose, nella loro infanzia non avevano fantasie pratiche riguardo a certi fenomeni ? Vogliamo credere che si divertivano veramente ad immaginare palline che girano nello spazio ?

  • # 18
    n0v0
     scrive: 

    Allora il problema è un altro.

    Prima cosa: finora (e in futuro) tutti gli investimenti fatti nella ricerca hanno avuto risvolti positivi all’ atto pratico. Forse non immediati, ma sempre presenti.

    Il perché è evidente: in questi ambiti si spinge sempre la tecnologia al massimo e – di conseguenza – la facciamo evolvere. I risultati utilizzabili dall’ industria e dal mercato arrivano dopo un certo tempo sotto i nostri occhi.

    Non a caso si chiamano investimenti. Non spese. Proprio perchè c’ è una prospettiva di ritorno economico.

    Seconda cosa (e qui mi ci arrabbio): se vogliamo parlare di sprechi di denaro, ho un elenco di almeno UN MILIONE di settori dove andare a tagliare, prima di interessare la ricerca.

    Nell’ economia ci sono situazioni mostruose, buchi neri mangiasoldi, somme sproporzionate rispetto al reale.

    E vi lamentate di questi, che sono i meglio spesi?

  • # 19
    Cesare Di Mauro
     scrive: 

    Su queste cose non ci sarebbe nemmeno da discutere: la ricerca di base va finanziata, anche se non è prevedibile un ritorno economico.

    Ovviamente non sto parlando di dare in mano soldi a gente che verifica la temperatura di fusione dei DVD, che è roba da premio ignobel.

  • # 20
    homero
     scrive: 

    sembra un articolo di fantascienza…migrazione trasformazione etc etc etc…
    la fisica delle particelle è ancora gli inizi nonostante i quasi 2 secoli di storia…
    negli ultimi 40 anni di teorie sulle particelle osservazioni varie e scoperte mirabolanti ne abbiamo viste tantissime la quasi totalità rettificate e rirettificate dopo pochi anni…
    scavare tunnel di 300km sulla terra per osservare le particelle che mutano?
    ovvio che mutano…quando mai la natura sta ferma?

  • # 21
    n0v0
     scrive: 

    x Cesare di Mauro

    concordo al 200 per cento.

    E l’ esempio siamo noi: quanto del nostro PIL va in ricerca e sviluppo? Ecco i risultati..

  • # 22
    dargor17
     scrive: 

    @ homero: Il problema è capire come mutano e saperlo descrivere in maniera quantitativa. In fondo la differenza tra scienza e fantascienza sta proprio in questo.

  • # 23
    D
     scrive: 

    “Proprio perchè c’ è una prospettiva di ritorno economico.”

    E si potrebbe sapere quali sono queste prospettive dal punto di vista pratico ?
    Immagina di dover convincere chi tiene i cordoni della borsa, ad aprirla per finanziare un altro LHC, cosa gli dici ? Cosa gli prometti ?
    Gli fai una lezione storia (dove lo sappiamo tutti quanto è facile montare e smontare i fatti per farli tendere a quello che vogliamo) ? Gli fai vedere Stargate e dici che l’obiettivo è inventare non so, uno scudo energetico ? Gli fai solo del terrorismo psicologico del tipo “nel caso che tra 80 anni si scoprirà una particolare rivoluzionaria tecnologia, il suo Paese si troverà a dover pagare caro per averne accesso” ?
    Ai tempi della 2°GM gli studi sulla fissione atomica mostravano da subito anche a dei profani la duplice possibilità di produrre energia a basso costo e di realizzare bombe potentissime. Adesso l’unica cosa che viene mostrata subito è la bolletta dell’enel scritta con sangue di galletto sgozzato ma i risultati nei fatti sono osservazioni che se sono fortunate reggono un paio di decenni per finire di nuovo confutate e quindi non sfruttate nei fatti.
    Dici che quel tipo di studi fa avanzare la tecnologia ma non mi risulta che nei fatti ne godiamo qualcosa, almeno io in casa non tengo un acceleratore di particelle per farmi la spremuta.

  • # 24
    n0v0
     scrive: 

    ma scommetto che hai un pc con masterizzatore… magari anche una fotocamera..

    quegli oggetti te li saresti sognati senza gli studi di Einstein sull’ effetto fotoelettrico.

    Ma vogliamo davvero l’ esempio eclatante? Nikola Tesla. La società moderna poggia interamente sulle sue ricerche *pure*, cui poi sono stati trovati impieghi pratici.

    Quindi, non fare il finto tonto a chiedere a me cosa possa ottenere di buono casa tua dalle ricerche su LHC et similia. Se proprio ne hai voglia chiedilo a qualcuno al CERN.

    Ah, poi leggo perle tipo: […] i risultati nei fatti sono osservazioni che se sono fortunate reggono un paio di decenni per finire di nuovo confutate e quindi non sfruttate nei fatti […]

    Ho capito. È un dialogo fra sordi. Torna pure a dormire e fai bei sogni.

    p.s. La bolletta con sangue di galletto ce la potevi risparmiare.

  • # 25
    L
     scrive: 

    Caro D,
    “Dici che quel tipo di studi fa avanzare la tecnologia ma non mi risulta che nei fatti ne godiamo qualcosa, almeno io in casa non tengo un acceleratore di particelle per farmi la spremuta.”
    Questo dimostra la tua ignoranza in materia. Oppure semplicemente sei un provocatore.
    Anche io non tengo uno shuttle in casa, però ho il velcro e le piastrelle refrattarie. Non possiedo un acceleratore, però, ad esempio, uso World Wide Web…

  • # 26
    Giovanni
     scrive: 

    x D:

    nella vita si può essere conservativi e lavorare sempre di tagli al denominatore, che è quello che come sistema Italia già stiamo facendo. Dove ci sta portando? E poi ci sono aziende come IBM, che a Zurigo impiegano diversi premi Nobel per fare ricerca di base. O interi sistemi Paese che ragionano in quel modo. E un’applicazione prima o poi salta fuori e il vantaggio competitivo diventa incolmabile per tutti gli altri. O non ti sei accorto che qualunque cosa abbia un minimo di tecnologia arriva sempre dai soliti paesi (parlo di ingegnerizzazione, non di produzione), non dall’Italia?

  • # 27
    OTTO
     scrive: 

    @D
    Questo credo sia sufficiente:

    “Possiamo considerare lo stato attuale dell’universo come l’effetto del suo passato e la causa del suo futuro. Un intelletto che ad un determinato istante dovesse conoscere tutte le forze che mettono in moto la natura, e tutte le posizioni di tutti gli oggetti di cui la natura è composta, se questo intelletto fosse inoltre sufficientemente ampio da sottoporre questi dati ad analisi, esso racchiuderebbe in un’unica formula i movimenti dei corpi più grandi dell’universo e quelli degli atomi più piccoli; per un tale intelletto nulla sarebbe incerto ed il futuro proprio come il passato sarebbe evidente davanti ai suoi occhi”

    Pierre Simon Laplace

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