materiale - Università degli Studi Roma Tre

Lo strano caso del Signor Neutrino
Davide Meloni
Dipartimento di Matematica e Fisica, RomaTre
Quali particelle compongono la materia ordinaria
Partiamo da:
protoni
neutroni
elettroni
nucleo
costituenti fondamentali della materia
Democrito (460-370 circa a. C.)
Opinione il dolce, opinione
l'amaro, opinione il caldo,
opinione il freddo, opinione
il colore: in realtà soltanto
gli atomi e il vuoto
Epicuro (341-270 a. C.)
[…] gli atomi hanno la stessa velocita'
quando si muovono nel vuoto senza
incontrare alcuna resistenza
Davide Meloni
2
Quali particelle compongono la materia ordinaria
Partiamo da:
protoni
neutroni
elettroni
nucleo
costituenti fondamentali della materia
in una persona di 70 Kg: 7 x 1027 atomi
(7000000000000000000000000000)
in particolare: 4.22 x 1027 atomi di idrogeno,
1.61 x 1027 atomi di ossigeno, 8.03 x 1026 atomi
di carbonio e 3.9 x 1025 atomi di azoto
Davide Meloni
3
E allora...
dove sono questi neutrini?
Io direi:
copiosamente intorno a noi !
Davide Meloni
4
E allora...
da dove provengono questi neutrini?
dal Big Bang
0.0001 secondi
dopo il Big Bang:
i neutrini vengono
prodotti
Davide Meloni
5
E allora...
da dove provengono questi neutrini?
dal Big Bang
0.0001 secondi
dopo il Big Bang:
i neutrini vengono
prodotti
1 secondo dopo
il Big Bang:
i neutrini viaggiano
liberamente nello spazio
Davide Meloni
6
E allora...
da dove provengono questi neutrini?
dal Big Bang
0.0001 secondi
dopo il Big Bang:
i neutrini vengono
prodotti
1 secondo dopo
il Big Bang:
i neutrini viaggiano
liberamente nello spazio
Davide Meloni
Oggi: 330 ν per
ogni centimetro
cubo di spazio
7
Da dove provengono questi neutrini?
Dalle esplosioni di supernovae
emette in un minuto l’energia emessa dal Sole in duecento anni
il 99% dell'energia emessa va in neutrini!
SN1987A
- Ogni essere umano fu attraversato da 10000
miliardi di neutrini
- Si può stimare che circa un milione di persone
ebbero uno di tali neutrini interagente nel loro corpo!
Davide Meloni
8
Da dove provengono questi neutrini?
dal Sole: luce e neutrini dalle reazioni termonucleari
~ 8 minuti
Davide Meloni
9
Da dove provengono questi neutrini?
dal Sole: luce e neutrini dalle reazioni termonucleari
circa 60 miliardi al secondo su ogni centimetro quadro !
E su un uomo?
fonte: Paolo Lenisa
“Breve storia del neutrino”,
Scienza per Tutti
Davide Meloni
10
Da dove provengono questi neutrini?
dal Sole: luce e neutrini dalle reazioni termonucleari
circa 60 miliardi al secondo su ogni centimetro quadro !
60 cm (???)
Calcoletto:
180 cm
60 x 180 x 60 miliardi=
648000000000000 =
648 mila miliardi di neutrini al secondo !
Davide Meloni
11
Da dove provengono questi neutrini?
dal Sole: luce e neutrini dalle reazioni termonucleari
circa 60 miliardi al secondo su ogni centimetro quadro !
tuttavia: conteniamo 20 mg di
Potassio 40 che decade in neutrini
Io stesso emetto 340 milioni di neutrini al giorno !
Davide Meloni
12
Da dove provengono questi neutrini?
dalla nostra atmosfera
- raggi cosmici che incidono
sugli strati superiori della
nostra atmosfera
Flusso ~ 1 cm-2 s-1
dalla Terra
- circa 50 miliardi al secondo dalla radioattivita' naturale
geoneutrini
- 10-100 miliardi dalle centrali nucleari
Davide Meloni
13
Le due domande fondamentali
Dato che non li percepiamo:
Chi ce li ha ordinati ?
Viaggio nella storia della scoperta del neutrino
Perche' non producono effetti?
Viaggio nella fisica delle interazioni deboli
Davide Meloni
14
La radioattivita' naturale
Nascita della fisica moderna:
scoperta della radioattività da parte del fisico francese Henry Bequerel e
dei coniugi Pierre e Marie Curie alla fine del XIX secolo
alcuni minerali, contenenti uranio e radio, avevano la proprietà
di impressionare delle lastre fotografiche poste nelle loro vicinanze.
Una forma di radioattivita': la radiazione β:
elettroni emessi da particolari
atomi senza dare loro energia
Raggi β
Davide Meloni
Image by
P.Lenisa
15
La radioattivita' naturale
Un esempio: decadimento del neutrone
n → protone (p) + elettrone (e)
Carica elettrica: OK
0 → (+1) + (-1)
Davide Meloni
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La radioattivita' naturale
Un esempio: decadimento del neutrone
n→ p+e
Carica elettrica: OK
0 → (+1) + (-1)
Conservazione dell'energia: NO!
Usiamo Einstein: E = mc2
mneutrone c2 > mprotone c2 + melettrone c2 + energia cinetica
Davide Meloni
17
La radioattivita' naturale
Conservazione della quantita' di moto: NO!
n→ p+e
p
n
e
particelle emesse in direzioni opposte e SEMPRE con la stessa energia
Davide Meloni
18
La radioattivita' naturale
Conservazione della quantita' di moto: NO!
n→ p+e
p
n
e
particelle emesse in direzioni opposte e SEMPRE con la stessa energia
INVECE si osservo'
qualcosa di differente:
●
Davide Meloni
19
Postulare una nuova particella
E allora, che si fa?
Abbandoniamo i principi di conservazione
Niels Bohr:
[...] non disponiamo di argomentazioni,
empiriche o teoriche, per difendere il
principio di conservazione dell'energia
nel caso delle disintegrazioni con
emissione di raggi β; anzi il tentare di
farlo ci conduce a complicazioni e
difficoltà
Davide Meloni
20
Postulare una nuova particella
E allora, che si fa?
Abbandoniamo i principi di conservazione
Niels Bohr:
[...] non disponiamo di argomentazioni,
empiriche o teoriche, per difendere il
principio di conservazione dell'energia
nel caso delle disintegrazioni con
emissione di
raggi β; anzi il tentare di farlo ci
conduce a complicazioni e difficoltà
Ammettiamo l'esistenza di una nuova
particella invisibile
(Wolfgang Pauli - 1930)
«Ho fatto una cosa terribile: ho
postulato l'esistenza di una particella
che non può essere rivelata» .
Davide Meloni
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Postulare una nuova particella
E allora, che si fa?
Abbandoniamo i principi di conservazione
Niels Bohr:
[...] non disponiamo di argomentazioni,
empiriche o teoriche, per difendere il
principio di conservazione dell'energia
nel caso delle disintegrazioni con
emissione di
raggi β; anzi il tentare di farlo ci
conduce a complicazioni e difficoltà
Ammettiamo l'esistenza di una nuova
particella invisibile
(Wolfgang Pauli - 1930)
«Ho fatto una cosa terribile: ho
postulato l'esistenza di una particella
che non può essere rivelata» .
Fermi: «Chiamiamolo NEUTRINO»
Davide Meloni
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Postulare una nuova particella
E allora, che si fa?
Abbandoniamo i principi di conservazione
Niels Bohr:
[...] non disponiamo di argomentazioni,
empiriche o teoriche, per difendere il
principio di conservazione dell'energia
nel caso delle disintegrazioni con
emissione di
raggi β; anzi il tentare di farlo ci
conduce a complicazioni e difficoltà
Ammettiamo l'esistenza di una nuova
particella invisibile
(Wolfgang Pauli - 1930)
«Ho fatto una cosa terribile: ho
postulato l'esistenza di una particella
che non può essere rivelata» .
Fermi: «Chiamiamolo NEUTRINO»
Altri due fisici nucleari dell'epoca,
Hans Bethe e Rudolph Peierls:
«Non si riuscirà mai a vedere un
neutrino!».
Davide Meloni
23
Postulare una nuova particella
Lettera di Pauli del 4 Dicembre 1930,
indirizzata ai partecipanti ad un congresso di Fisica a Tubinga
Cari Signore e Signori Radioattivi,
a causa dello spettro continuo del decadimento beta, ho pensato a un possibile disperato
rimedio per salvare le statistiche e il principio di conservazione dell'energia.
Si tratta della possibilità che esista nel nucleo una particella elettricamente neutra, che
chiamerò neutrone (...) ma che sia diversa dai fotoni, in quanto non viaggia alla velocità della
luce.
La massa del neutrone dovrebbe essere simile a quella dell'elettrone e comunque non
maggiore dell' 1% della massa del protone. [...]
Concordo sul fatto che tale rimedio possa sembrare incredibile poiché avremmo già dovuto
osservare tali neutroni. Ma solo chi osa può vincere e la situazione difficile in cui ci
troviamo è ben illustrata da una frase che il mio illustre predecessore, il Sig. Debye, mi
disse recentemente a Bruxelles: ..., è meglio non pensarci per nulla ...proprio come per nuove
tasse...
Davide Meloni
24
Postulare una nuova particella
Lettera di Pauli del 4 Dicembre 1930,
indirizzata ai partecipanti ad un congresso di Fisica a Tubinga
Cari Signore e Signori Radioattivi,
a causa dello spettro continuo del decadimento beta, ho pensato a un possibile disperato
rimedio per salvare le statistiche e il principio di conservazione dell'energia.
Si tratta della possibilità che esista nel nucleo una particella elettricamente neutra, che
chiamerò neutrone (...) ma che sia diversa dai fotoni, in quanto non viaggia alla velocità della
luce.
La massa del neutrone dovrebbe essere simile a quella dell'elettrone e comunque non
maggiore dell' 1% della massa del protone. [...]
Concordo sul fatto che tale rimedio possa sembrare incredibile poiché avremmo già dovuto
osservare tali neutroni. Ma solo chi osa può vincere e la situazione difficile in cui ci
troviamo è ben illustrata da una frase che il mio illustre predecessore, il Sig. Debye, mi
disse recentemente a Bruxelles: ..., è meglio non pensarci per nulla ...proprio come per nuove
tasse...
Davide Meloni
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Postulare una nuova particella
Lettera di Pauli del 4 Dicembre 1930,
indirizzata ai partecipanti ad un congresso di Fisica a Tubinga
Cari Signore e Signori Radioattivi,
a causa dello spettro continuo del decadimento beta, ho pensato a un possibile disperato
rimedio per salvare le statistiche e il principio di conservazione dell'energia.
Si tratta della possibilità che esista nel nucleo una particella elettricamente neutra, che
chiamerò neutrone (...) ma che sia diversa dai fotoni, in quanto non viaggia alla velocità della
luce.
La massa del neutrone dovrebbe essere simile a quella dell'elettrone e comunque non
maggiore dell' 1% della massa del protone. [...]
Concordo sul fatto che tale rimedio possa sembrare incredibile poiché avremmo già dovuto
osservare tali neutroni. Ma solo chi osa può vincere e la situazione difficile in cui ci
troviamo è ben illustrata da una frase che il mio illustre predecessore, il Sig. Debye, mi
disse recentemente a Bruxelles: ..., è meglio non pensarci per nulla ...proprio come per nuove
tasse...
Davide Meloni
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Postulare una nuova particella
Lettera di Pauli del 4 Dicembre 1930,
indirizzata ai partecipanti ad un congresso di Fisica a Tubinga
Cari Signore e Signori Radioattivi,
a causa dello spettro continuo del decadimento beta, ho pensato a un possibile disperato
rimedio per salvare le statistiche e il principio di conservazione dell'energia.
Si tratta della possibilità che esista nel nucleo una particella elettricamente neutra, che
chiamerò neutrone (...) ma che sia diversa dai fotoni, in quanto non viaggia alla velocità della
luce.
La massa del neutrone dovrebbe essere simile a quella dell'elettrone e comunque non
maggiore dell' 1% della massa del protone. [...]
Concordo sul fatto che tale rimedio possa sembrare incredibile poiché avremmo già dovuto
osservare tali neutroni. Ma solo chi osa può vincere e la situazione difficile in cui ci
troviamo è ben illustrata da una frase che il mio illustre predecessore, il Sig. Debye, mi
disse recentemente a Bruxelles: ..., è meglio non pensarci per nulla ...proprio come per nuove
tasse...
Davide Meloni
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Postulare una nuova particella
cosa sappiamo ora:
+
perche' prodotti in
connessione con l'elettrone
νe
Cosa ci serve ancora?
Una teoria che ci spieghi il
dato sperimentale sugli
elettroni
Un esperimento che confermi
l'esistenza dello strano
neutrino
Davide Meloni
28
La teoria del decadimento β di E. Fermi
Cosa prevedeva la teoria?
p
n
e
ν
nuovo tipo di interazione:
“ogni transizione neutrone-protone deve essere
accompagnata dalla creazione di un elettrone e
un neutrino”
interazione debole
Davide Meloni
29
La teoria del decadimento β di E. Fermi
Il processo viene tradotto in formule dalle quali e' possibile ottenere il numero
di elettroni emessi in funzione della loro energia
p
n
eventi
e
ν
Davide Meloni
30
La teoria del decadimento β di E. Fermi
Come vediamo la questione oggi
p
il neutrone emette un protone
ed una particella pesante W
n
n
il W successivamente
decade in elettrone e
neutrino
W
(n,p)
(ν,e)
e
ν
l'interazione e' comunicata attraverso lo scambio di una “palla” W
Davide Meloni
31
La teoria del decadimento β di E. Fermi
Caratteristiche della “palla”:
W: particella carica 100 volte piu' pesante del protone
difficile scambiarsi una palla pesante, quindi l'interazione avviene raramente
ed e' chiamata debole
siccome e' pesante (e carico), il W raramente viaggia a lungo
l'interazione e' di corta distanza
Davide Meloni
32
La teoria del decadimento β di E. Fermi
Caratteristiche della “palla”:
W: particella carica 100 volte piu' pesante del protone
difficile scambiarsi una palla pesante, quindi l'interazione avviene raramente
ed e' chiamata debole
siccome e' pesante (e carico), il W raramente viaggia a lungo
l'interazione e' di corta distanza
Tipo di forza
Intensita' relativa
Raggio d'azione
forte
1
Nucleo atomico
elettromagnetica
0.01
infinito
debole
0.00001
< nucleo atomico
gravitazionale
10-38
infinito
Davide Meloni
33
La scoperta sperimentale del Neutrino
Frederick Reines
Clyde Lorrain Cowan
Principio di rivelazione
Reattore nucleare:
100 miliardi di ν per secondo per cm2
Esperimento
Poltergeist (1957)
rivelatore
Acqua
ν
p
n
e
reazione inversa a quella del decadimento del neutrone
Davide Meloni
34
La scoperta sperimentale del Neutrino
Esperimento Poltergeist (1957)
Rivelatore di fotoni
il Cadmio cattura il
neutrone ed emette fotoni
Fotone visto
al tempo t1
Acqua + Cadmio
n
Davide Meloni
35
La scoperta sperimentale del Neutrino
Esperimento Poltergeist (1957)
Rivelatore di fotoni
il Cadmio cattura il
neutrone ed emette fotoni
Fotone visto
al tempo t1
Acqua + Cadmio
n
e
l'elettrone interagisce nel
detector ed emette fotoni
Davide Meloni
Fotone visto
al tempo t2
36
La scoperta sperimentale del Neutrino
Esperimento Poltergeist (1957)
Rivelatore di fotoni
il Cadmio cattura il
neutrone ed emette fotoni
Fotone visto
al tempo t1
Acqua + Cadmio
n
e
l'elettrone interagisce nel
detector ed emette fotoni
Fotone visto
al tempo t2
t2-t1 e' un tempo caratteristico della reazione in
esame: se ho due segnali di fotoni separati da t2-t1
3 neutrini per ora
allora posso affermare di aver “visto” un neutrino
Davide Meloni
37
Carta di identita' del Neutrino
elettronico
neutrino
intorno anni 30
interazione:
debole
coniugato
carica elettrica:
massa:
0
?
A volte non e' in se...
esploriamo meglio questa affermazione
Davide Meloni
38
Il problema dei neutrini solari
Il modello solare predice un certo flusso di neutrini in viaggio verso la Terra
νe
grosse vasche d'acqua
Homestake (miniera in USA-1970)
Sage (URSS-1990)
Gallex (Gran Sasso-1991)
Kamiokande (Giappone-1995)
numero di ν rivelati / numero di ν dal Sole ~ 0.3-0.6
mancano neutrini all'appello !
Davide Meloni
39
Il problema dei neutrini solari
Il modello solare predice un certo flusso di neutrini in viaggio verso la Terra
νe
grosse vasche d'acqua
Homestake (miniera in USA-1970)
Sage (URSS-1990)
Gallex (Gran Sasso-1991)
Kamiokande (Giappone-1995)
numero di ν rivelati / numero di ν dal Sole ~ 0.3-0.6
-modello solare sbagliato
possibili soluzioni:
Davide Meloni
40
Il problema dei neutrini solari
Il modello solare predice un certo flusso di neutrini in viaggio verso la Terra
νe
grosse vasche d'acqua
Homestake (miniera in USA-1970)
Sage (URSS-1990)
Gallex (Gran Sasso-1991)
Kamiokande (Giappone-1995)
numero di ν rivelati / numero di ν dal Sole ~ 0.3-0.6
-modello solare sbagliato
possibili soluzioni:
-un problema di fisica delle particelle
Davide Meloni
41
Una possibile spiegazione
finora abbiamo considerato:
νe
e
sin dal dopoguerra era nota l'esistenza di una
copia pesante dell'elettrone: il muone (µ)
stessa carica, soggetta ad identiche
interazioni ma 200 volte piu' pesante
Davide Meloni
42
Una possibile spiegazione
finora abbiamo considerato:
νe
e
sin dal dopoguerra era nota l'esistenza di una
copia pesante dell'elettrone: il muone (µ)
stessa carica, soggetta ad identiche
interazioni ma 200 volte piu' pesante
associamo ad esso un nuovo
neutrino: il neutrino muonico
Davide Meloni
νµ
µ
43
Una possibile spiegazione
νe
e
νµ
µ
Bruno Pontecorvo
(1957 and 1968)
Proviamo a giocare con questi due neutrini
‘‘Although what is written above is at best extremely
rough and at worst entirely wrong...”
Davide Meloni
44
Una possibile spiegazione
voglio parafrasare Pontecorvo in modo irriverente
Il neutrino elettronico e'
un aggregato di meloni
maturi, sapore decisamente
dolce
νe
Davide Meloni
45
Una possibile spiegazione
voglio parafrasare Pontecorvo in modo irriverente
Il neutrino elettronico e'
un aggregato di meloni
Mentre si propaga nello
maturi, sapore decisamente
spazio, il melone puo' essere
dolce
contaminato da limoni: il
sapore non e' ben definito
νe
Davide Meloni
46
Una possibile spiegazione
voglio parafrasare Pontecorvo in modo irriverente
Il neutrino elettronico e'
un aggregato di meloni
Mentre si propaga nello
maturi, sapore decisamente
spazio, il melone puo' essere
dolce
contaminato da limoni: il
sapore non e' ben definito
Il piatto puo' contenere
solo limoni: sapore
decisamente aspro. Ho un
neutrino muonico
νµ
νe
Davide Meloni
47
Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino
νµ
νe
La differenza tra la particella iniziale e quella finale e' il sapore
Gergo tecnico: transizioni di sapore o oscillazioni
Davide Meloni
48
Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino
νµ
νe
La differenza tra la particella iniziale e quella finale e' il sapore
Gergo tecnico: transizioni di sapore o oscillazioni
Spiegazione del problema dei
neutrini solari:
plot by L. Ludovici
νe
νµ
νe
νµ
a Terra si contano meno neutrini
elettronici perche' alcuni di essi
hanno subito una oscillazione
traiettoria del neutrino
Davide Meloni
49
Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino
νe
νµ
νµ
νe
traiettoria del neutrino
masse dei neutrini (m12-m22)
Il processo in questione e' di tipo
probabilistico, dipendente da:
energia dei neutrini (E)
distanza percorsa dai neutrini
Davide Meloni
50
Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino
masse dei neutrini (m12-m22)
energia dei neutrini (E)
La trasmutazione avviene con una
certa Probabilita' che dipende da:
distanza percorsa dai neutrini
[
2
2
(
m
−m
2
1
2) L
P (ν e →ν μ )= A sin
4E
]
frequenza di oscillazione:
ci dice con che velocita'
i neutrini cambiano sapore
Ampiezza:
valore massimo della probabilita'
Davide Meloni
51
Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino
[
2
2
( m1 −m 2) L
P ( ν e →ν μ )=A sin
4E
2
A = 0.3
m12 −m22 = 0.0001 eV2
]
numero compreso
tra 1 e 0
E = 106 eV
A
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νµ
νe
νe
νµ
νe
νe
νe
νe
νµ
νe
νe
νe
νe
Davide Meloni
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
νe
52
Completiamo il quadro...
Problema dei neutrini atmosferici
i neutrini entrano in grosse vasche d'acqua
e “producono” luce
50 000 tonnellate d’acqua
neutrino muonico
neutrino elettronico
Esperimento SuperKamiokande
(1998, Giappone)
Davide Meloni
53
Completiamo il quadro...
Si contano i neutrini muonici e, di nuovo, molti ne mancano all'appello
http://universe-review.ca/R15-13-neutrino.htm
eventi attesi
grosso deficit
dati
sperimentali
Davide Meloni
54
Completiamo il quadro...
Si contano i neutrini muonici e, di nuovo, molti ne mancano all'appello
http://universe-review.ca/R15-13-neutrino.htm
eventi attesi
grosso deficit
dati
sperimentali
Provo a spiegare con gli stessi valori usati per i neutrini solari:
- masse dei neutrini (m12-m22) ~ 10-4 eV2
-A ~ 0.3
Davide Meloni
Va male: va escogitato altro
55
Completiamo il quadro: non due ma TRE neutrini !
Si contano i neutrini muonici e, di nuovo, molti ne mancano all'appello
finora abbiamo considerato:
Dagli anni 70 era nota
l'esistenza di una copia
pesante dell'elettrone e
del muone: il tau (τ)
associamo ad esso un nuovo
neutrino: il neutrino tau
νe
e
νµ
µ
ντ
τ
stessa carica, soggetta ad
identiche interazioni ma 20
volte piu' pesante del muone
Davide Meloni
56
Completiamo il quadro: non due ma TRE neutrini !
Interpretazione: la sparizione di neutrini muonici e' attribuita prevalentemente
ad oscillazioni a neutrini tau
Dobbiamo introdurre una nuova massa m3
- masse dei neutrini (m32-m12) ~ 10-3 eV2
circa 30 volte piu' grande
Dobbiamo introdurre una nuova ampiezza
-A~1
predizione
oscillazione
Davide Meloni
57
Completiamo il quadro: non due ma TRE neutrini !
il quadro delineatosi ad inizio anni 2000 prevedeva la presenza
di oscillazioni tra tutti e tre i sapori
Davide Meloni
58
Completiamo il quadro: non due ma TRE neutrini !
il quadro delineatosi ad inizio anni 2000 prevedeva la presenza
di oscillazioni tra tutti e tre i sapori
A1 ~ 0.3
- due differenze di massa: (m32-m12) e (m22-m12)
A2 ~ 0.02
- servono ben tre ampiezze
A3 ~ 1
Davide Meloni
59
Andiamo a caccia di Neutrini
(stagione venatoria sempre aperta)
Fenomeno delle oscillazioni confermato da innumerevoli esperimenti
Un esempio per tutti: gli esperimenti CERN – Gran Sasso (GS)
neutrini muonici prodotti al CERN
verso l'Italia
Davide Meloni
60
Andiamo a caccia di Neutrini
Fenomeno delle oscillazioni confermato da innumerevoli esperimenti
Un esempio per tutti: gli esperimenti CERN – Gran Sasso (GS)
neutrini muonici prodotti al CERN
verso l'Italia
Davide Meloni
61
Andiamo a caccia di Neutrini
Fenomeno delle oscillazioni confermato da innumerevoli esperimenti
Un esempio per tutti: gli esperimenti CERN – Gran Sasso (GS)
neutrini muonici prodotti al CERN
verso l'Italia
circa tre miliardesimi di secondo
Davide Meloni
62
Andiamo a caccia di Neutrini
Fenomeno delle oscillazioni confermato da innumerevoli esperimenti
Un esempio per tutti: gli esperimenti CERN – Gran Sasso (GS)
Esperimento OPERA:
ricerca diretta
di oscillazione νµ ->ντ
Davide Meloni
63
Andiamo a caccia di Neutrini
νµ
ντ
un neutrino tau entra nel detector
ed ogni tanto interagisce
producendo una particella tau
E' vero?
Davide Meloni
64
Andiamo a caccia di Neutrini
νµ
ντ
un neutrino tau entra nel detector
ed ogni tanto interagisce
producendo una particella tau
E' vero?
mattoncini di emulsione
(pellicola per fotografia)
un robot estrae il
mattoncino e lo esamina
Davide Meloni
65
Andiamo a caccia di Neutrini
νµ
ντ
un neutrino tau entra nel detector
ed ogni tanto interagisce
producendo una particella tau
E' vero?
mattoncini di emulsione
(pellicola per fotografia)
un robot estrae il
mattoncino e lo esamina
risultato: 4 neutrini tau
Davide Meloni
66
Piu veloci della luce?
Misurare velocita' significa misurare distanze ed intervalli temporali
velocita' = distanza / tempo = L/∆t
bisogna misurare la distanza tra il punto di produzione e quello di rivelazione
dei neutrini
bisogna misurare il tempo che intercorre dal momento in cui il neutrino e'
prodotto e quello in cui viene rivelato
Davide Meloni
67
Piu veloci della luce?
Misurare velocita' significa misurare distanze ed intervalli temporali
velocita' = distanza / tempo = L/∆t
bisogna misurare la distanza tra il punto di produzione e quello di rivelazione
dei neutrini
distanze
Cern usa GPS per la
localizzazione del punto di
accuratezza di 20 cm su 730 Km!
produzione dei neutrini
Davide Meloni
Anche OPERA usa GPS per
la localizzazione del punto di
rivelazione dei neutrini
68
Piu veloci della luce?
tempi
“orologio” comune:
invia segnali temporali
ricevitore GPS in superficie
designati per applicazioni
time-transfer
ricevitore GPS
in superficie
CERN
GS
Davide Meloni
69
Piu veloci della luce?
tempi
“orologio” comune
ricevitore GPS in superficie
designati per applicazioni
time-transfer
le informazioni sul tempo sono
trasmesse dai GPS all'esperimento
CERN
ricevitore GPS
in superficie
ν
GS
una etichetta t0 e' attaccata
al neutrino prodotto
Davide Meloni
70
Piu veloci della luce?
tempi
“orologio” comune
ricevitore GPS in superficie
designati per applicazioni
time-transfer
le informazioni sul tempo sono
trasmesse dai GPS all'esperimento
CERN
una etichetta t0 e' attaccata
al neutrino prodotto
ricevitore GPS
in superficie
ν
GS
∆t = t1 - t0
Davide Meloni
una etichetta t1 e' attaccata
al neutrino rivelato
71
Piu veloci della luce?
NO
Risultato:
i neutrini viaggiano a v=299800 Km/s, da confrontarsi
con la velocita' della luce, c=299792 Km/s
(oppure: i neutrini arrivano ~60 miliardesimi di secondo
PRIMA di un fascio di luce inviato dal CERN)
Problema: il risultato contraddice il principio della velocita' limite c
1. mantenere l'assunto che le leggi della
fisica siano le stesse per ogni osservatore:
2. ipotizzare deviazioni dall'assunto in 1.
si violerebbe la causalita' (neutrini rivelati
al Gran Sasso prima di partire dal CERN)
le oscillazioni avverrebbero con modalita'
diverse da quanto osservato
Davide Meloni
72
Dove e' il problema ?
GS
Difetto nei cavi che connettono l'orologio all'esperimento:
i rintocchi dell'orologio arrivano con piu' lentezza di quanto siano trasmessi
Esempio: se l'orologio scandisce 3 rintocchi ma, a causa di un
ritardo di trasferimento dell'infomazione temporale al GS solo il
secondo e' “attaccato” all'evento, allora si misura un ∆t = 2
rintocchi invece di ∆t = 3 rintocchi e quindi attribuiamo velocita'
maggiore del dovuto
Davide Meloni
73
Implicazioni del fenomeno delle oscillazioni
enormi implicazioni teoriche dei risultati di oscillazione
di cui si capisce ben poco !
perche':
A1 ~0.3, A2 ~0.02, A3 ~1
i ineutrini
neutrinihanno
hannomassa:
massa:
ma
maquanto
quantovale?
vale?
Davide Meloni
74
Il problema delle ampiezze
perche':
A1 ~ 0.3, A2 ~ 0.02, A3 ~ 1
c'e' bisogno di ispirazione divina
(non ancora pervenuta pero')
mondo intrinsecamente piu' ordinato
tutto frutto del caos
Davide Meloni
75
Il problema della massa dei neutrini
tau
elettrone
neutrino (???)
muon
masse:
1
200
4000
oggetti studiati finora
m∼√ m23−m12∼0.1 eV
ovvero 0.0000002 piu'
leggero dell'elettrone
Davide Meloni
enormemente piu' bassa delle
altre particelle
76
Il problema della massa dei neutrini
Ma perche'? Ma soprattutto: perche?
in fondo i neutrini sono imparentati con elettroni, risentono (quasi) delle stesse interazioni
MA
non hanno carica elettrica
Esempio:
massa
potrebbero essere particelle speciali !
N
~ copia molto pesante dei neutrini
che abbiamo visto finora
ν
Davide Meloni
77
ν
N
peso crescente
peso crescente
Il problema della massa dei neutrini
essendo comunque neutrini essi
interagiscono mutuamente
Davide Meloni
78
Il problema della massa dei neutrini
peso crescente
peso crescente
ν
N
Se ora N diventa piu' pesante,
l'interazione rende ν piu' leggero !
Esiste inversa proporzionalita' tra
le due masse
Davide Meloni
79
Meccanismo see-saw
Si e' trovato un (possibile) meccanismo che assicura una massa piccola per i
neutrini a patto di introdurre altri neutrini molto pesanti
N
Non e' il meccanismo “bilancia”,
si chiama meccanismo “altalena”
Davide Meloni
ν
80
Meccanismo see-saw
Si e' trovato un (possibile) meccanismo che assicura una massa piccola per i
neutrini a patto di introdurre altri neutrini molto pesanti
N
Non e' il meccanismo “bilancia”,
si chiama meccanismo “altalena”
ν
Quanto pesanti ?
se voglio ottenere mν ~10-1 eV, serve mN ~1023 eV !
(mν ~1 /mN )
la fisica del neutrino permette di sondare indirettamente
le altissime energie (per confronto: LHC ~ 1012-1013 eV)
Davide Meloni
81
Conclusioni
questi tre signori ci stanno
dando dei gran grattacapi !
restano da svelare alcune
proprieta' dei neutrini:
manca un riferimento teorico nel
quale inquadrare:
- il valore della massa stessa
- se sono solamente tre
...
- il meccanismo che genera la massa
- i valori delle ampiezze
...
Davide Meloni
82
Conclusioni
questi tre signori ci stanno
dando dei gran grattacapi !
restano da svelare alcune
proprieta' dei neutrini:
manca un riferimento teorico nel
quale inquadrare:
- il valore della massa stessa
- se sono solamente tre
...
- il meccanismo che genera la massa
- i valori delle ampiezze
...
« quell'incongruo miscuglio che non
m'era mai riuscito di riformare »
Grazie !
Davide Meloni
83
Stato attuale sulle masse dei neutrini
manca misura sperimentale diretta della massa
Dalla cosmologia
strutture come le galassie si originano da collasso gravitazionale
neutrini massivi “portano via” energia e
rallentano la velocita' con cui si formano
le strutture
Thomas, Abdalla, and Lahav,
Phys. Rev. Lett.105, 031301 (2010)
mν ≠ 0 → la materia e' distribuita
su un piu' ampio numero di
strutture e si osserva un minor
contrasto di densita'
m1 + m 2 +m3 ∼1 eV
Davide Meloni
mν = 0
84
Stato attuale sulle masse dei neutrini
Da esperimenti di laboratorio
Trizio
Troitsk experiment
Phys.Rev. D84 (2011) 112003
m ν < 2.2 eV
Davide Meloni
85
Un riassunto...
Angoli di mescolamento
Differenze di massa
m3
θ13
o
θ23
m23 − m21
o
(45 )
(9 )
θ12
o
(33 )
m2
m21 − m22
m1
Davide Meloni
86
La teoria del decadimento β di E. Fermi
Caratteristiche della “palla”
debole:
particelle
con carica
debole
Caratteristiche della “palla”
elettromagnetica:
W
particelle
cariche
W: particella carica 100 volte
piu' pesante del protone
l'interazione e' debole
fotone
fotone: particella senza massa
l'interazione e' “piu' intensa”
siccome e' pesante, il W raramente
siccome e' privo di massa,
viaggia a lungo
l'interazione e' di corta distanza
il fotone viaggia per lunghe distanze
l'interazione e' di lunga distanza
le particelle hanno “carica debole”,
anche il W
le particelle hanno
“carica elettrica”, il fotone NO
D.Meloni
87
Quali particelle compongono la materia ordinaria
Un viaggio lungo 2500 anni
Democrito (460-370 circa a. C.)
Opinione il dolce, opinione
l'amaro, opinione il caldo,
opinione il freddo, opinione
il colore: in realtà soltanto
gli atomi e il vuoto
GRECI ROMANI MEDIOEVO RINASCIMENTO EPOCA-MODERNA
Epicuro (341-270 a. C.)
[…] gli atomi hanno la stessa velocita'
quando si muovono nel vuoto senza
incontrare alcuna resistenza
D.Meloni
88
Quali particelle compongono la materia ordinaria
Un viaggio lungo 2500 anni
Lucrezio (98-55 circa a. C.)
Nel De Rerum Natura:
riprende Epicuro ed afferma
un ateismo radicale
GRECI ROMANI MEDIOEVO RINASCIMENTO EPOCA-MODERNA
D.Meloni
89
Quali particelle compongono la materia ordinaria
Un viaggio lungo 2500 anni
quasi completo abbandono
delle teorie atomistiche,
considerate forme intollerabili
e demoniache di materialismo
e di ateismo
GRECI ROMANI MEDIOEVO RINASCIMENTO EPOCA-MODERNA
D.Meloni
90
Quali particelle compongono la materia ordinaria
Un viaggio lungo 2500 anni
Recupero epicureismo
(adattazione al cristianesimo):
Erasmo da Rotterdam
Pierre Gassendi
Denis Diderot
GRECI ROMANI MEDIOEVO RINASCIMENTO EPOCA-MODERNA
D.Meloni
91
Quali particelle compongono la materia ordinaria
Un viaggio lungo 2500 anni
Teoria atomistica a livello scientifico:
John Dalton (tavola pesi atomici)
William Prout (misura proprieta' atomo)
Dmitrij Ivanovič Mendeleev
GRECI ROMANI MEDIOEVO RINASCIMENTO EPOCA-MODERNA
D.Meloni
92
Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino
Il neutrino elettronico e'
un mixing di due oggetti di
massa diversa:
tanto ν1 e poco ν2
νe
ν1, m1
ν2, m2
massa del νe non ben definita !
D.Meloni
93
Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino
Il neutrino elettronico e'
un mixing di due oggetti di
massa diversa:
tanto ν1 e poco ν2
νe
ν1, m1
Le due componenti evolvono
differentemente al passare
del tempo (distanza): cambia
la composizione del neutrino
ν2, m2
massa del νe non ben definita !
D.Meloni
94
Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino
Il neutrino elettronico e'
un mixing di due oggetti di
massa diversa:
tanto ν1 e poco ν2
νe
ν1, m1
Ogni tanto ottengo poco
ν1 e tanto ν2 , situazione
Le due componenti evolvono
differentemente al passare
del tempo (distanza): cambia
la composizione del neutrino
che definisce il neutrino
muonico
νµ
ν2, m2
massa del νµ non ben definita !
massa del νe non ben definita !
D.Meloni
95