Neutrini, un’introduzione Understand article

Tradotto da Paolo Sudiro. Cos’hanno in comune la deriva dei continenti, le centrali nucleari e le supernove? I neutrini, come si spiega Susana Cebrián.

Che cosa sono i neutrini?

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concessa da Mark Tiele Westra

I neutrini, cioè i “piccoli neutri”, sono ovunque, tutto intorno a noi. Queste minuscole particelle elementari viaggiano attraverso lo spazio a velocità prossima a quella della luce e non possiedono carica. Un tempo si pensava che fossero anche senza massa, ma gli scienziati ora suppongono che abbiano effettivamente una massa: si stima che sia meno di un miliardesimo della massa dell’atomo di idrogeno, ma la ricerca continuaw1.

L’esistenza dei neutrini, una delle più abbondanti particelle nell’Universo, venne postulata inizialmente dal fisico austriaco Wolfgang Pauli nel 1930 per spiegare il fenomeno del decadimento radioattivo beta. Tuttavia, solo quando furono costruite le prime centrali nucleari, dal decadimento dei prodotti della fissione divenne disponibile un flusso di neutrini (in effetti le loro antiparticelle, gli antineutrini; vedi Landua & Rau, 2008, per ulteriori informazioni sulle antiparticelle) abbastanza elevato da confermare la loro esistenza. Nel 1956, Clyde Cowan e Frederick Reines costruirono due grandi serbatoi sotterranei pieni d’acqua, a pochi metri di distanza dall’impianto nucleare di Savannah River vicino ad Aiken, in Sud Carolina, USA, nei quali gli antineutrini interagivano con i protoni dell’acqua (vedi il diagramma sottostante). Frederick Reines ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1995w2 per questo esperimento. Clyde Cowan non potè condividere il premio, poiché era scomparso nel 1974.

L’esperimento di Reines e Cowan: antineutrini elettronici (νe) interagiscono con i protoni dell’acqua (p+) in una grande cisterna riempita d’acqua e cloruro di cadmio (CdCl2); come risultato vengono prodotti positroni (e+, antiparticelle degli elettroni) e neutroni (n0) I positroni vengono annichilati quando incontrano gli elettroni dell’acqua (e) ed i neutroni vengono assorbiti dai nuclei di cadmio (Cd). Entrambe le reazioni provocano l’emissione di raggi gamma fotonici (γ) che vengono rilevati per mezzo di scintillatori. Questi convertono il segnale in lampi di luce visibile, che possono essere rilevati e amplificati da tubi fotomoltiplicatori. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Immagine gentilmente concessa da Susana Cebrián

Secondo il modello standard della fisica delle particelle, esistono tre tipi, o sapori, di neutrini (vedi l’immagine seguente): il neutrino elettronico, il neutrino muonico ed il neutrino tau, che sono stati tutti confermati sperimentalmente. Leon M. Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinberger ricevettero il Premio Nobel per la Fisica nel 1988w2 per la scoperta del neutrino muonico.

È stato anche proposto un quarto tipo, “sterile”, immune alla forza debole del modello standard e dati recenti, che includono un calcolo sofisticato delle misurazioni effettuate negli anni ’80 presso l’Istituto Laue-Langevinw3 di Grenoble, in Francia, sostengono questa ipotesi (Hand, 2010; Reich, 2011). Se i neutrini sterili venissero effettivamente osservati, si aprirebbe un intero nuovo regno della fisica oltre il modello standard.

Il modello standard della fisica delle particelle.
Le particelle di materia si presentano in due tipi differenti, leptoni e quark, che formano un insieme di 12 particelle, divise in tre famiglie, ciascuna composta di due leptoni (uno dei quali è un neutrino) e due quark. Le particelle di materia possono “comunicare” tra loro in modi diversi scambiandosi vari tipi di particelle messaggere chiamate bosoni (un bosone differente per ciascuna delle interazioni fondamentali), che possono essere immaginati come minuscoli pacchetti di energia con proprietà specifiche. Le masse di alcune particelle sono ancora materia di studio da parte della comunità scientifica; i valori qui mostrati risalgono al 2008

Immagine gentilmente concessa da PBS NOVA; fonte: Wikimedia Commons
La vasca del Super-
Kamiokande, quasi colma
d’acqua, vista dall’alto.
Cliccare sull’immagine per
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Immagine gentilmente
concessa da Kamioka
Observatory, ICRR (Institute for
Cosmic Ray Research), The
University of Tokyo

Anche i tre tipi già confermati di neutrini sono speciali: oscillano da un sapore all’altro – i neutrini elettronici, muonici e tau si trasformano uno nell’altro. Questo fenomeno venne osservato per la prima volta nel 1998 dall’esperimento giapponese Super-Kamiokandew4, nel quale si scoprì che i neutrini muonici generati nell’atmosfera “scompaiono”, probabilmente diventando neutrini tau. Un recente esperimento ha ora osservato con successo un simile evento dalla prospettiva opposta – quella della comparsa di un neutrino tau piuttosto che la scomparsa di un neutrino muonico: dopo che per tre anni un fascio di neutrini muonici è stato rilasciato al CERNw5 di Ginevra, in Svizzera, un neutrino tau è stato rilevato nel 2010 dal rilevatore OPERA nei Laboratori Nazionali del Gran Sassow6 in Italia, a 730 km di distanza (vedi l’immagine seguente).

La rilevazione delle oscillazioni ha anche risolto un mistero vecchio di 40 anni: gli scienziati hanno sempre trovato che dal Sole arrivano molti meno neutrini elettronici di quanto ci si aspetta. Nel 2001, l’Osservatorio di Neutrini Solari (Solar Neutrino Observatoryw7) in Canada ha dimostrato che nel loro viaggio verso la Terra questi si trasformano in neutrini degli altri sapori (Bahcall, 2004). Ulteriori esperimenti sono ancora in corso per analizzare le oscillazioni dei neutrini, per esempio in Francia e Giappone, dove acceleratori e centrali nucleari forniscono un gran numero di antineutrini per le osservazioniw8.

Lungo la loro strada dal CERN di Ginevra, in Svizzera, al Gran Sasso, in Italia, alcuni neutrini muonici del fascio di particelle si trasformano in neutrini tau e vengono rilevati da OPERA. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Immagine gentilmente concessa da CERN

Da dove vengono i neutrini?

I neutrini si sono originati la prima volta circa 14 miliardi (14 x 109) di anni fa, 10-43 secondi dopo il Big Bang. Alcuni secondi dopo si stavano già rapidamente allontanando dal resto della zuppa calda e densa di particelle primarie; gli scienziati sono ancora alla ricerca di neutrini superstiti dal Big Bang.

È la debole interazione dei neutrini con la materia che li rende quasi impossibili da rilevare, ma ciò li rende anche particelle estremamente interessanti per gli scienziati. Diversamente da molte altre particelle, i neutrini sono in grado di sfuggire dalle regioni più dense, come il nucleo del Sole o la Via Lattea, e possono viaggiare per grandi distanze da galassie lontane senza venire assorbiti, trasportando informazioni su queste regioni. In questo senso, i neutrini sono messaggeri cosmici, e l’astronomia dei neutrini sta diventando sempre più importante.

Fino ad oggi sono state osservate solo due sorgenti extraterrestri di neutrini: il Sole e le supernove. Raymond Davis Jr e Masatoshi Koshiba hanno vinto il terzo Premio Nobel per la Fisica sui neutrini nel 2002w2 per avere individuato i neutrini solari e delle supernove. Come altre stelle, il Sole emette neutrini elettronici in diversi passaggi del processo di fusione dei nuclei leggeri in nuclei più pesanti (vedi l’immagine seguente e, per approfondire, vedi Westra, 2006, e Boffin & Pierce-Price, 2007); ogni secondo oltre 1010 neutrini solari colpiscono un centimetro quadrato di superficie terrestre. Diversamente dai fotoni, che impiegano circa 100000 anni per viaggiare dal nucleo del Sole alla sua fotosfera prima di viaggiare rapidamente verso la Terra, i neutrini emessi dallo stesso processo di fusione compiono l’intero viaggio in solo 8 minuti. Per questa ragione i neutrini solari sono utili messaggeri che trasportano informazioni sugli effettivi fenomeni di fusione che si verificano nel Sole, come ad esempio la composizione chimica del suo nucleow9.

Fusione nel Sole: due nuclei di idrogeno si fondono per formare un nucleo di deuterio, un positrone e un neutrino. Il positrone incontra rapidamente un elettrone, essi si annichilano a vicenda e rimane solo energia. Il nucleo di deuterio procede a fondersi con un altro nucleo di idrogeno per formare elio-3. Nel passaggio finale, due nuclei di elio-3 fondono per formare elio-4 e due nuclei di idrogeno. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Immagine gentilmente concessa da Mark Tiele Westra
Un’immagine artistica del
materiale circostante la
supernova SN1987A: due
anelli esterni, un anello
interno ed il materiale
espulso più interno,
deformato

Immagine gentilmente
concessa da ESO / L Calçada

I neutrini delle supernove sono il risultato della fine violenta di alcune stele, che esplodono e producono molti più neutrini che fotoni (vedi Székely & Benedekfi, 2007): nel 1987 diversi sensori registrarono un segnale insolitamente forte (diversi eventi in pochi secondi, diversamente dalla consueta frequenza di circa uno al giorno), attribuito ai neutrini emessi dalla supernova SN1987A nella Grande Nube di Magellano. Per permettere agli astronomi di prepararsi ad osservare questi eventi, oggi vari rilevatori di neutrini sono stati collegati tra loro nel Supernova Early Warning System (Sistema di Allerta Precoce di Supernove)w10, poiché durante queste esplosioni stellari i neutrini vengono emessi prima dei fotoni che gli astronomi vogliono osservare.

Gli astronomi, comunque, non sono i soli scienziati interessati ai neutrini. Sulla Terra esistono sorgenti sia naturali che artificiali di neutrini: i materiali radioattivi all’interno della Terra possono subire il decadimento beta, producendo geoneutrini. Inoltre, i reattori nucleari a fissione producono neutrini e specifici acceleratori di particelle vengono impiegati come sorgenti di neutrini a scopo di ricerca. Queste sono, naturalmente, particelle interessanti per i fisici per caratterizzare ulteriormente i neutrini, ma anche per gli scienziati della Terra e forse anche i politici (vedi ‘Neutrinos as nuclear police’ e ‘Powering Earth’).

Infine, quando i raggi cosmici colpiscono l’atmosfera della Terra, vengono emessi neutrini atmosferici come prodotti di decadimento di pioni e muoni. Questa sorgente molto abbondante di neutrini di origine naturale è un fastidio per gli astronomi dei neutrini (vedi sotto ‘Come identificare i neutrini’), che sono interessati ai neutrini originatisi nello spazio esterno, ma offre ai fisici dei neutrini un mezzo alternativo per studiare le loro particelle favorite.

Come identificare i neutrini

I neutrini sono molto utili nello studio dei fenomeni astronomici e cosmologici e rilevatori di neutrini vengono costruiti in tutto il mondo, a grandi profondità nel sottosuolo per filtrare il ‘rumore’ di altre particelle. Il più grande rilevatore mai costruito finora è l’appena completato IceCubew11: un chilometro cubo di ghiaccio al Polo Sud, che agisce come un telescopio alla ricerca di neutrini da sorgenti astrofisiche (vedi l’immagine sotto). Quando un neutrino colpisce un protone del ghiaccio antartico, viene rilasciato un muone. Come qualsiasi altra particella carica che viaggia a velocità superiore a quella della luce in uno specifico mezzo (sebbene inferiore a quella della luce nel vuoto), il muone genera una coda conica di luce blu – la radiazione Cherenkov, l’equivalente fotonico di un boom sonico, che si può osservare anche in alcuni reattori nucleari.

 

L’osservatorio di neutrini IceCube è collocato al Polo Sud (in alto a sinistra; la Stazione Polo Sud è a sinistra della pista di decollo, IceCube a destra). Consiste di migliaia di moduli ottici digitali autonomi (in alto a sinistra), che registrano il tempo di arrivo di ciascun neutrino. Sono collocati in profondi pozzi nel ghiaccio, perforati utilizzando acqua calda (in basso a sinistra; cliccare per ingrandire l’immagine). Quando un neutrino colpisce un protone del ghiaccio antartico, si genera un cono Cherenkov di luce blu (in basso a destra; cliccare per ingrandire l’immagine), e la traiettoria della luce viene ricostruita dai tempi della rilevazione del neutrino
Per gentile concessione di NSF

Migliaia di sensori ottici disposti in una griglia tridimensionale a 1,5-2,5 km di profondità nel ghiaccio, rileva questa luce; una volta combinati tra loro, i dati possono essere utilizzati per determinare l’energia del neutrino e la direzione da cui proviene. Per distinguere i muoni prodotti dai neutrini cosmici dai milioni di volte più numerosi muoni prodotti dai raggi cosmici nell’atmosfera soprastante il rilevatore, IceCube utilizza la Terra come un filtro, osservando solo i muoni che provengono dal sottosuolo. I neutrini sono le uniche particelle capaci di penetrare la Terra indisturbati, così qualsiasi muone proveniente da quella direzione deve essere stato generato nel rilevatore da un neutrino cosmico.

Altri rilevatori utilizzano materiali e strategie differenti, ma tutti mettono quanto più materiale possibile sulla traiettoria dei neutrini, cercando di farli interagire e rivelarsi.

I neutrini come una polizia nucleare

L’identificazione di armi e materiali nucleari è importante per molte ragioni, compresa la prevenzione della proliferazione e del terrorismo nucleari. Gli scienziati oggi propongono che rilevatori di antineutrini grandi un metro cubo potrebbero essere impiegati per controllare in modo non invasivo e proteggere i reattori nucleariw12.

Attualmente i reattori vengono controllati indirettamente (per esempio usando satelliti, emissioni di gas e polveri, segnali sismici e ad infrasuoni provocati dai test di armi nucleari), il che può condurre ad errori. I rilevatori di neutrini forniscono invece informazioni in tempo reale sulla potenza del nucleo di un reattore e potenzialmente anche sulla sua composizione isotopica. Una rete mondiale di circa 500 di questi rilevatori sarebbe in grado di calcolare la potenza generata da singoli reattori, permettendo di identificare test clandestini di armi nucleari.

La vasca di rilevazione del
Super-Kamiokande colma
d’acqua. Cliccare
sull’immagine per ingrandirla

Immagine gentilmente
concessa da Kamioka
Observatory, ICRR (Institute for
Cosmic Ray Research), The
University of Tokyo

Alimentare la Terra

I neutrini vengono anche rilevati dai geofisici. Il decadimento radioattivo naturale di uranio, torio e potassio contenuti nella crosta e nel mantello terrestri mantengono il flusso di materiale caldo in correnti convettive che provocano la deriva dei continenti, l’espansione dei fondi oceanici, le eruzioni vulcaniche e i terremoti.

Ci sono vari modelli per questo decadimento, in funzione della composizione della crosta terrestre. I geoneutrini prodotti durante il decadimento possono aiutare a determinare la composizione della crosta. I geoneutrini vennero identificati per la prima volta nel 2005 dall’esperimento KamLANDw13 in Giappone, sebbene la gran quantità di centrali nucleari circostanti limitasse lo studio, poiché gli antineutrini che esse rilasciano hanno un segnale energetico simile a quello dei geoneutrini. Nel 2009 una squadra internazionale del progetto Borexinow6, w14 ebbe maggior successo perché nei dintorni c’erano meno centrali nucleari, così, alla fine, dovrebbe venire analizzato un numero di geoneutrini statisticamente significativo per determinare le quantità relative di uranio, torio e potassio nella crosta terrestre.

Nel tempo che voi avete impiegato per leggere questo articolo, circa 10 000 000 000 000 000 neutrini vi hanno attraversato senza che ve ne accorgeste. Minuscoli, ma col potere di confermare o smentire un gran numero di teorie scientifiche.

Ringraziamenti

Gli editori desiderano ringraziare il Dr. Christian Buck, fisico dei neutrini presso il Max-Planck-Institut für Kernphysik (Istituto Max Planck di Fisica Nucleare) di Heidelberg, Germania, per i consigli sulla stesura dell’articolo

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References

Web References

Resources

  • Il Booster Neutrino Experiment e Interactions.org hanno prodotto ottime introduzioni sui neutrini, disponibili gratuitamente online. Vedi: www-boone.fnal.gov/about/nusmatter (Neutrinos Matter) e www.interactions.org/pdf/neutrino_pamphlet.pdf (Neutrino Odyssey)
  • Il sito del progetto IceCube ospita una straordinaria attività didattica con ‘neutrini popcorn’, nella quale gli studenti possono indagare i concetti alla base del decadimento beta. Vedi: www.icecube.wisc.edu oppure utilizza il link diretto: http://tinyurl.com/45ytuq7
  • Per le presentazioni di tre lezioni, disponibili in lingua tedesca, sulla ricerca sui neutrini destinate agli studenti delle scuole, vedi: www.mpi-hd.mpg.de/hfm/wh/pams/PamS0708.htm
  • Particle Adventure è un divertente viaggio interattivo online sulla fisica delle particelle: http://particleadventure.org
  • Il Contemporary Physics Education Project offre a studenti e insegnanti istruzioni in Inglese e Spagnolo per attività in classe sulla fisica delle particelle, compreso uno sulla legge di conservazione, che seguono i passi seguiti da Pauli per postulare l’esistenza del neutrino (Activity 5). Vedi: www.cpepweb.org/Class_act.html
  • Lo UK Science e Technology Council ha compilato una guida alle fonti per l’insegnamento della fisica delle particelle. Vedi: www.stfc.ac.uk/Public e Schools/2563.aspx

Institution

CERN, ILL

Author(s)

Susana Cebrián è professoressa all’Università di Saragozza, in Spagna, e lavora a diversi esperimenti nel campo della fisica delle astroparticelle al Laboratorio Sotterraneo Spagnolo Canfranc.


Review

I neutrini sono particelle strane, piccole ma affascinanti. Questo articolo descrive la loro origine, le loro proprietà e la loro individuazione in modo accessibile e con esempi concreti. Costituisce un’ottima base per insegnanti di fisica, ma può anche essere un punto di partenza per studenti che debbano preparare una ricerca sull’argomento o stimolare discussioni ulteriori, ad esempio sulla fisica delle particelle in generale, il modello standard, la fisica dei rilevatori, il CERN, l’astrofisica o la radiazione.

L’articolo è utile soprattutto per lezioni di fisica, ma contiene collegamenti alle scienze della Terra. Per rendere l’argomento accessibile anche agli studenti più giovani (sui 14 anni di età), suggerirei all’insegnante di selezionare parti dell’articolo da discutere in classe.


Gerd Vogt, Austria




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