di  -  lunedì 15 marzo 2010

da KamLAND

Per comprendere pienamente come funziona qualcosa bisogna guardarci dentro. Questo lo si capisce fin da quando si è bambini curiosi e si rompono tutti i giocattoli che ci arrivano sotto mano. Spesso non è possibile, però, rompere l’oggetto delle nostre osservazioni per vedere cosa c’è dentro: pensiamo al corpo umano. In questo caso si usano quindi sistemi alternativi, come i raggi X, per vedere cosa sta succedendo all’interno del corpo.

Similarmente, anche i corpi celesti racchiudono le più importanti informazioni sul loro funzionamento al proprio interno. Anche in questo caso non è possibile spaccare l’oggetto per vedere cosa succede dentro, e serve quindi un altro mezzo per sondarne le interiora. Forse una delle più grande scoperte degli ultimi cinquant’anni è riassunta da una frase di Lawrence Krauss, Sheldon Glashow e David Schramm in un importantissimo articolo sulla rivista Nature: “Se vi sono nei cieli e nella Terra più cose di quelle che noi uomini possiamo immaginare con la nostra filosofia della natura, è in parte perché la rivelazione della sola radiazione elettromagnetica è inadeguata a studiare la natura”. Studiando il Sole con radiotelescopi, ultravioletti e radiazione visibile possiamo avere un’idea del suo funzionamento, ma è solo con lo studio dei neutrini solari che siamo stati in grado di ricostruire con precisione le reazioni che sono la sorgente dell’energia solare.

La Terra è un corpo celeste come tanti altri, e anch’esso può essere studiato attraverso i leggerissimi neutrini che, nel caso specifico, prendono il nome di geoneutrini.

Vi è in particolare un mistero della fisica Terrestre che i neutrini potranno aiutarci a risolvere, ed è la produzione del calore. La Terra viene suddivisa in cinque gusci: il core, il mantello, la crosta oceanica, la crosta continentale e il sedimento. Tutti questi strati, a parte il core esterno, sono solidi. Il mantello, però, seppur sia allo stato solido, ha dei moti convettivi, che sono la causa di fenomeni terrestri come la tettonica a zolle e i terremoti.

La Terra ri-emette nello spazio la radiazione, sotto forma di calore, che riceve dal Sole (1.4 kW/m2), e vi aggiunge una piccola quantità di calore che viene creata al suo interno (circa 80 mW/m2).

Misure effettuate tramite profonde trivellazioni (la più profonda è arrivata a circa 12 km, 1/500 del raggio terrestre) hanno permesso di stimare la totale emissione di calore della Terra 44.2 TW (tera watt) di potenza, che possono ridursi a 31 TW utilizzando  diverse ipotesi di flusso di calore vicino alle dorsali medio-oceaniche). Queste stime si basano su misure di conduzione di calore e gradienti di temperatura lungo la crosta terrestre.

L’origine di questa potenza (che equivale a circa 10mila centrali termoelettriche) è ancora ignota. Si sa che una frazione piuttosto elevata di questo calore (dal 60% in su) può trovare la propria origine nella radiazione nucleare, in particolare nel risultato del decadimento delle catene dell’Uranio 238, del Torio e del Potassio 40. In particolare vediamo come le seguenti reazioni rilascino energia in eccesso:

238U → 206Pb + 84He + 6e + 6νbar + 51.7 MeV
232Th → 208Pb + 64He + 4e + 4νbar + 42.8 MeV
40K + e → 40Ar + ν + 1.513 MeV (11%); 40K →40Ca + νbar + e + 1.321 MeV (89%)

Dove l’energia è espressa in megaelettronvolt, “e” rappresenta un elettrone e “νbar” un antineutrino (l’antiparticella del neutrino). Per sapere quanto veramente queste reazioni pesano nel rilascio energetico della Terra, dobbiamo sapere qual è la loro quantità relativa nei diversi strati della Terra descritti prima.

Si capisce dalle reazioni citate che misurando gli antineutrini prodotti e il loro spettro energetico è possibile ricostruire con precisione la quantità di questi elementi, come vediamo nel grafico qui a sinistra, che mostra come le distribuzioni energetiche dei neutrini generati dalle diverse reazioni differiscano notevolmente gli uni dagli altri.

La linea verticale indica la soglia energetica dell’esperimento KamLAND, che ha misurato per primo i geoneutrini, pubblicando questo importantissimo risultato su Nature. Questo limite inferiore (che cme vedete esclude i neutrini provenienti dal Potassio 40) è dovuto al fatto che si rivela l’antineutrino quando questo “sbatte” contro un protone, trasformandolo in un neutrone. Siccome il neutrone è più energetico del protone, succhia dell’energia al neutrino, che deve avere almeno 1.804 MeV per poter dar vita a questo processo (che si chiama Beta inverso): νbar + p → n + e+ -1.804 MeV. KamLAND ha pubblicato un’interessantissimo risultato, misurando 73 ± 27 geoneutrini, ma lo scopo principale di quell’esperimento è di misurare antineutrini provenienti dalle 53 centrali nucleari presenti nelle vicinanze del rivelatore.

Questo è interessante per diversi scopi, ma rappresenta un grande limite per lo studio dei geoneutrini, innalzando molto il rumore di fondo. Al contrario, l’esperimento Borexino è molto lontano da altre sorgenti di antineutrini, come le centrali nucleari, ed ha di conseguenza un segnale molto più pulito.

Borexino, costruito un chilometro e mezzo sotto la roccia del monte Gran Sasso, è costituito da una sfera di acciaio contenente mille tonnellate di un idrocarburo (lo pseudocumene) immersa in 2.400 tonnellate di acqua ultrapura. All’interno, una sfera di nylon più piccola contiene 300 tonnellate di liquido scintillatore in cui avviene la reazione vera e propria che ho descritto poco fa.

Il processo è schematizzato nell’immagine a destra.
Borexino ha concluso la raccolta dati lo scorso Dicembre e ha rilasciato da pochissimi giorni i primi eccitantissimi risultati: sono riusciti a misurare, con una precisione ancora non raggiunta in precedenza 9.9 geoneutrini, con un’incertezza di +4.1 -3.4.

Questo risultato si aggiunge alle misure già fatte da KamLAND, arricchendole di una precisione molto maggiore, ma non è ancora sufficiente per rispondere completamente alla domanda di quanto la radiazione nucleare possa pesare sulla produzione del calore terrestre.

Gli scienziati di Borexino mostrano come i propri risultati siano sufficienti ad escludere con un livello di confidenza del 95% la presenza di una sorta di reattore nucleare naturale nel centro della Terra che, secondo le ipotesi, sarebbe in grado di produrre dai 3 ai 10 TW di potenza.

I risultati di Borexino sono in attesa di pubblicazione e attualmente reperibili dall’archivio scientifico online a questo indirizzo.

16 Commenti »

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  • # 1
    Cael
     scrive: 

    In quinto superiore sono stato in visita al laboratorio del Gran Sasso, davvero un’esperienza unica che consiglio di far provare a tutte le scolaresche italiane al posto delle solite inutili visite in luoghi artistici.

  • # 2
    tatogame
     scrive: 

    @Cael
    Hensemberger?
    xD

  • # 3
    Cesare Di Mauro
     scrive: 

    Come si fa a sapere con certezza che dei neutrini sono prodotti da reazioni solari o da altre nel nucleo della Terra? E, per questi ultimi, da quale particolare reazione (Uranio, Torio, Potassio)?

    I neutrini, tra l’altro, arrivano anche da stelle, anche lontane.

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

    La distinzione viene fatta principalmente dallo spettro energetico. Per esempio quelli prodotti dal potassio non possono essere visti poiché la loro energia non è sufficiente per innescare la reazione beta inversa. I neutrini solari sono più energetici di quelli prodotti dalla Terra e quelli cosmici sono ancora più energetici. Non è così facile vederli però. Innanzi tutto non possono essere visti con questa reazione e in un detector come quello di Borexino, servono volumi molto superiori. Al momento ci sono 2 telescopi funzionanti con delle speranze di vedere neutrini cosmici, e sono IceCube al polo sud e il progetto Antares, che però è solo un prototipo per il futuro Km3NeT. Il primo che becca un neutrino cosmico avrà una signora pubblicazione, assicurato. Nonché, io avrei qualcosa da scrivere sulla mia tesi di dottorato….

  • # 5
    Loris
     scrive: 

    Cesare, i neutrini arrivano anche da _altre_ stelle.
    Basta un bit flippato, e il CRC va a farsi benedire. :)

  • # 6
    Roberto
     scrive: 

    @Cael
    Che commento sciocco… la cultura è cultura, per te sarà più interessante un laboratorio, per altri una poesia o una scultura.

    Bastava fermarsi a “italiane” per produrre un commento condivisibile.

  • # 7
    pleg
     scrive: 

    @ Loris

    Veramente, il CRC e’ fatto proprio per accorgersi di un bit flippato :)
    Due, magari no…

  • # 8
    Cesare Di Mauro
     scrive: 

    @Loris: proprio perché i neutrini sono prodotti e provengono da più parti non mi era chiara la “ratio” che permetteva di distinguere le diverse tipologie (e relative provenienze).

    Dubbio che mi ha tolto Eleonora col suo commento molto chiaro.

    C’è, però, un altro dubbio che mi sovviene. Il Sole è una stella come ce ne sono miliardi e miliardi di altre nel cosmo. Per cui potrebbero arrivare dal cosmo neutrini con energia simile a quella solare e, quindi, virtualmente indistinguibili; per cui potrebbero “falsare” dei rilevamenti.

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

    In linea di principio è vero…. ma il flusso di neutrini prodotto da ciascuna stella non è molto alto ed è emesso in tutte le direzioni… per cui il Sole è pesantemente predominante nel numero di eventi che vediamo. Inoltre sebbene i neutrini interagiscano poco, più lontano sono prodotti, minori sono le probabilità che arrivino fino a noi (soprattutto senza perdere energia)…

  • # 10
    Nucleo
     scrive: 

    Qundo si dice…

    “Gli scienziati di Borexino mostrano come i propri risultati siano sufficienti ad escludere con un livello di confidenza del 95% la presenza di una sorta di reattore nucleare naturale nel centro della Terra”

    In sintesi quindi al centro della terra NON vi sono Reazioni nucleari!

    Fiu! Menomale! Che sollievo!

    Bhe un dubbio mi soge spontaneo… E Mò che ce Famo?

    Con esperimenti come Borexino si potra’ determinare la quantita’ di Uranio presente sulla Terra, e magari identificare preziosi giacimenti di combustibili nucleari?

    Se così fosse allora dovremmo attender un’altra guerra stile Iraq per il controllo dei giacimenti di combustibili nucleari?

    Mha, non so se sperare o no che in Italia si possa scoprire un qualche giacimento.

    Comunque se si investe tanto nella ricerca di nuovi giacimenti nucleari, voul dire che, come annunciato da molte parti politiche, il Futuro prossimo sarà Nucleare!
    Altro che eolico, solare, fotovoltaico… ecc. Qua inizia la Nuova corsa al Nuclere!

    Che dire? Aspettiamo e poi vediamo…. intanto speriamo che il Nucleare non torni almeno fino a quando non sia stato risolto il problema delle scorie o che si trovi un sistema industrialmene più economico nello sviluppo e nell’uso della Fusione Nucleare!

    Comunque, dome sappiamo, il nucleo terrestre è formato da ferro nichel al 10%, quindi sarebbe era ovvio che non ci potessero essere reazioni nucleari… O No?

    E poi se il centro della terra fosse stato un reattore… di che tipo poteva mai essere… del tipo a fusione?… Come nelle stelle?
    Dubito che potesse essere un reattore a Fissione… altrimenti non credo che sarebbe rimasto così buono e tranquillo confinato all’interno del nucleo stesso…

    Va bhè và tiriamo un sospiro… la terra non è una stella ricoperta di cioccolata glassata pronta a squagliarsi e neanche una spece di pseudo bomba nucleare pronta a esplodere!

    OoooooO… che scopertona…. eccezzionale!
    Ora Sono Curioso di vedere cos’altro scopriranno!
    Magari vediamo se Finalmente identificaranno i preziosiosissimi giacimenti di combustibili nucleari. …. o_O

  • # 11
    Giovanni Minervini
     scrive: 

    Grazie mille per l’ottimo livello dei tuoi articoli. Sempre molto dettagliati e mai nozionistici.
    @nucleo nella ricerca specie in quella di base non sempre si riesce ad identificare subito
    il significato applicativo di una scoperta. Ricerche come questa sulle particelle subatomiche
    più che un fine pratico come “la possibile scoperta di nuovi giacimenti di uranio” hanno come
    obiettivo la comprensione delle leggi fisiche che governano l’universo.
    Se per eventualità remota si edentificasse un improbabile “georeattore” sicuramente sarebbe di
    tipo detto “a fissione”. Per una fusione mancherebbe uno dei requisiti fondamentali: il combustibile.
    Il ferro ( ed ancor meno il nikel) presente nel nucleo profondo mal si presta a fungere da carburante.
    Le stelle più grandi in massa che riescono a mantenere “la fornace nucleare” attiva, quando arrivano
    al ferro (dopo aver finito H, He, ecc) collassano e bum.. Fine della stella. Se quello che la preoccupa
    sono le radiazioni nucleari generate dalla terra, dorma tranquillo. Insieme a quelle solari, sono forse
    state l’innesco di quella cosa bellissima che è la mutazione spontanea, da molti conosciuta
    come evoluzione.

  • # 12
    LASCO
     scrive: 

    [OT]

    Io volevo fare un breve commento riguardo alla frase:

    “Se vi sono nei cieli e nella Terra più cose di quelle che noi uomini possiamo immaginare con la nostra filosofia della natura, è in parte perché la rivelazione della sola radiazione elettromagnetica è inadeguata a studiare la natura”.

    Dicendolo in modo spicciolo, mi sembra che abbiano voluto scrivere una frase ad effetto cercando di modificare quella celebre di Kant. Ma mi sembra una forzatura, sia dal punto di vista filosofico che fisico.

    Innanzitutto dal punto di vista fisico avrebbero dovuto specificare “radiazione elettromagnetica dello spettro visibile”, ma neanche sarebbe stato corretto. Poi se descriviamo la natura tramite la meccanica quantistica allora non si puo’ affermare a priori (senza fare misure) qualcosa su un fenomeno, altrimenti vengono fuori vari paradossi come ad esempio quello EPR.

    Dal punto di vista filosofico, per scomodare ancora Kant, per affermare che qualcosa esista bisogna prima pensarla (processo deduttivo-induttivo-deduttivo).

    E giusto per completare l’off topic aggiungo per gli amanti della montagna che il cosiddetto “paretone” del Gran Sasso è la parete piu’ lunga d’Europa (circa 1Km) che puo’ essere scalata interamente.

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

    @LASCO
    Mi sa che non hai capito cosa voleva dire quella frase…nessuno si sognava di scomodare Kant, la meccanica quantistica o nessun paradosso… semplicemente vogliono dire che non basta costruire strumenti che osservano la radiazione elettromagnetica, tantomeno solo nel visibile, ma nemmeno gamma, X, radio o chi più ne ha più ne metta… bisogna “ascoltare” l’Universo anche con altri mezzi, in particolare osservando le particelle oltre che la radiazione, particelle come i neutrini o i raggi cosmici.
    L’astrofisica è storicamente legata alla radiazione elettromagnetica. Fino a un secolo fa, solo alla banda visibile, con i telescopi ottici e così via. Poi, pian piano, si è estesa a tutta la banda elettromagnetica, osservando i raggi gamma, la radiazione X e costruendo radiotelescopi. Ora stiamo vivendo un momento di svolta, in cui non basta più nemmeno quello, ma dobbiamo fare fisica delle particelle per capire i meccanismi più reconditi dell’universo.

  • # 14
    LASCO
     scrive: 

    @ Eleonora Presani

    Mi sa che non hai capito quello che volevo dire (per usare lo stesso approccio alla discussione dell’autore). Innanzitutto hanno scomodato Kant senza nominarlo. Mentre la meccanica quastistica ed un paradosso, oltre che Kant, li ho scomodati io. Su quello che dici in merito all’astrofisica sono ovviamente daccordo. Quello che discutevo era il fatto che la frase mi sembrava una forzatura per le ragioni che ho argomentato nel post precedente.

  • # 15
    Ilruz
     scrive: 

    @Eleonora Presani

    http://www.tgdaily.com/general-sciences-features/48941-largest-quantum-state-created

    Ho capito bene, c’e’ un dispositivo meccanico che ora e’ in risonanza con un qbit, percui ne replica lo stato?

  • # 16
    Mcmax
     scrive: 

    Ciao nel articolo ne discutevo sulle interazioni neutrini core nel 2008.
    Non vedo ancora un elemento che pare ignorato palesemente, la densità e pressione alla quale la materia lavora nel core non sono parte integrante del modello di analisi interazione materia neutrini e quindi desumo che le interazioni che compariamo con gli esperimenti Opera e IceCube hanno risultati completamente diversi.

    Max

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