Numero speciale per la Notte Europea dei Ricercatori
Settembre 2011
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www.accatagliato.org
La fisica del neutrino Ottant始anni di sfide per carpire i segreti della particella pi霉 sfuggente dell始Universo
Bruno Pontecorvo La vita contraddittoria di un grande scienziato italiano
Un tuffo nel cosmo Tra galassie, particelle e pesci luminosi, l'emozionante sfida di ANTARES alla ricerca dei neutrini astrofisici
Cuor di neutrino Passione e determinazione per sollevare il velo del decadimento doppio beta
Borexino Studiare il Sole... sotto terra!
I messaggeri dell始Universo Prime analisi congiunte tra onde gravitazionali e neutrini di alta energia
Accastampato non e` un periodico, pertanto non e registrato e non ha un direttore responsabile. Questo sesto numero e` uno speciale dedicato alla Notte Europea dei Ricercatori 2011, con la collaborazione dell’associazione Frascati Scienza, promotrice dell’evento a Frascati.
Impaginazione ed editing: Alessio Cimarelli Grafica: Silvia Mariani In copertina: “Super-Kamiokande Detector in Japan” (www. thelivingmoon.com)
Gli articoli contenuti in questo numero sono protetti con marca digitale grazie a patamu.com
La rivista e` disponibile on-line all’indirizzo http://www. accastampato.it, navigabile sia da computer che da cellulare e scaricabile nei formati PDF ed ePUB.
Quest’opera e` rilasciata sotto la licenza Creative Commons Attribuzione-Non commerciale-Condividi allo stesso modo 3.0 Unported. Se non specificato altrimenti, tutti gli articoli in essa contenuti sono rilasciati dai rispettivi autori sotto la medesima licenza. Per leggere una copia della licenza visita il sito web http://creativecommons. org/licenses/by-nc-sa/3.0/ o spedisci una lettera a Creative Commons, 171 Second Street, Suite 300, San Francisco, California, 94105, USA.
Indice
num. 6, Settembre 2011
EDITORIALE
Borexino
Ricercatori che lasciano il segno
di M. Buizza Avanzini Milano, Universit`a degli Studi, Dipartimento di Fisica. Maggio 2005. In aula una ventina di studenti aspettano di cominciare il terzo modulo del corso di Introduzione all’Astrofisica. Oggi si comincia un argomento nuovo: “Neutrini, i messaggeri dallo spazio”. . .
5 Secondo anno al fianco dell’associazione Frascati Scienza per promuovere la ricerca scientifica nell’ambito della Notte Europea dei Ricercatori
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IL RICERCATORE ROMANO
La fisica del neutrino
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Un tuffo nel cosmo
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di A. Minotti I neutrini sono particelle uniche tra tutte quelle conosciute e gli enigmatici fenomeni di cui sono protagoniste spingono un gran numero di fisici influenti a dedicare la propria carriera al loro studio, valso finora ben tre premi Nobel
di G. De Bonis Immerso nelle acque del Mar Mediterraneo, un apparato costituito da fotomoltiplicatori e strumenti oceanografici registra il passaggio delle particelle pi`u sfuggenti del Modello Standard, giunte sulla Terra dai confini dell’Universo
LE SPALLE DEI GIGANTI
I messaggeri dell’Universo
Il professor Neutrino
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di F. Close, S. Turchetti Di Bruno Pontecorvo si sanno soprattutto due cose: nel 1950 scompare misteriosamente dall’Italia e pochi anni dopo rispunta in Unione Sovietica in qualit`a di uno dei massimi esperti mondiali di neutrini
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di I. Di Palma L’astronomia multi-messaggero, usando sonde come fotoni, protoni, neutrini, onde gravitazionali, sta aprendo nuove frontiere all’osservazione delle sorgenti astrofisiche pi`u lontane e dei fenomeni pi`u violenti del cosmo
RECENSIONI IL RICERCATORE ROMANO
Cuor di neutrino
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di C. Tomei Spingere al limite la tecnologia allo scopo di scoprire il rarissimo decadimento doppio beta, finora mai osservato, che getterebbe nuova luce sulle propriet`a ancora sconosciute di questa elusiva particella chiamata neutrino
Scienza Express
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di A. Cimarelli Quest’anno ha visto la nascita di una creatura strana, almeno per il nostro mercato: una casa editrice. Per di pi`u specializzata in scienza: con tanta saggistica, certo, ma anche con generi al limite della narrativa o della poesia
accastampato num. 6, Settembre 2011
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Attività della settimana 17-24 settembre da sabato 17 a sabato 24 10:30-12:30 > Comune di Frascati - Sala Consiliare Tecnologie e innovazioni vicine al territorio - il concetto di Smart Cities. Vetrina di tecnologie, progetti e prodotti nel campo ambientale, del risparmio energetico, delle energie rinnovabili, delle ICT e della mobilità. Un evento organizzato da “Officina dell’Innovazione” della Provincia di Roma.
Attività notte venerdi 23 Settembre
Per tutte le iniziative l’ingresso è libero *Prenotazione consigliata sul sito www.frascatiscienza.it ** Per le descrizioni più dettagliate delle varie iniziative e per gli indirizzi degli Enti di Ricerca è possibile fare riferimento al sito: www.frascatiscienza.it
20:30 > Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Università Roma Tre, Via della Vasca Navale, 84-Roma La Notte europea dei ricercatori sotto il cielo di Roma (Tre) Conversazioni scientifiche, osservazioni astronomiche e attività hands on di matematica e scienze.
17:00-24:00 > Passeggiata Belvedere > Sun & Star Party Osservazioni astronomiche con telescopi portatili per mostrare al pubblico le meraviglie del cielo diurno e notturno, con l’aiuto di ricercatori e appassionati astrofili.
22:00-23:30 > Scuderie Aldobrandini > La Chimica in Casa* Spettacolo centrale, condotto da Riccardo Rossi, aperto a tutto il pubblico della Notte. Il popolare attore e presentatore, con l'aiuto di un divulgatore scientifico, mostrerà al pubblico, attraverso esperimenti interattivi realizzati con materiali di uso comune, come la chimica faccia parte della nostra realtà quotidiana più di quanto crediamo. (L’evento è realizzato dalla LUDIS con il contributo della “BASF - The Chemical Company”).
17:00-24:00 > Stand in Passeggiata - Scuderie Aldobrandini Hands on Experiments. Giovani laureati delle tre Università di Roma, saranno a disposizione per stupire i curiosi di tutte le età con esperimenti ed esibizioni dal vivo, ma anche per rispondere alle domande sulle diverse discipline scientifiche. Matematica, Chimica, Fisica e Biologia vi lasceranno a bocca aperta.
17:00-24:00 > Passeggiata Belvedere > European Corner Un “angolo” dove incontrare i ricercatori e ricevere da loro informazioni sulle attività scientifiche del territorio Tuscolano e sulle iniziative della Commissione Europea, riguardanti la Ricerca.
16:00-20:00 > Info Point Piazza Marconi, Frascati European Corner. Un “angolo” dove incontrare i ricercatori e ricevere da loro informazioni sulle attività scientifiche del territorio Tuscolano e sulle iniziative della Commissione Europea, riguardanti la Ricerca.
domenica 18
lunedì 19
19:00-23:00 > Lanificio 159 - Via di Pietralata 159, Roma Evento lancio. Aperitivo/cena per presentare la Notte Europea dei Ricercatori 2011. Il pubblico assisterà allo svolgimento di esperimenti scientifici oltre che a un concerto di musica dal vivo. 15:00 e 16:30 > Area di Ricerca ARTOV, Tor Vergata Visita guidata della fototeca NASA* 18:30 > Comune di Frascati, Sala degli Specchi Conferenza del prof. Fulco Lanchester* Ordinario di Diritto Costituzionale Comparato all’Università di Roma Sapienza, su: “Lo Stato di cultura e il futuro del libro con l'e-book”
martedì 20
mercoledì 21
15:00-17:00 > Area di Ricerca ARTOV, Tor Vergata Seminario* “La rosa dei venti e l’avventura dell’uomo” 18:30 >Comune di Frascati, Sala degli Specchi Conferenza del prof. Paolo Simoncelli*, Ordinario di Storia Moderna all’Università di Roma Sapienza, su: “Copernico e Galileo, oltre l'eliocentrismo” 15:00-16:00 > Area di Ricerca ARTOV, Tor Vergata Visita del Campo sperimentale* dell’Istituto di Fisica dell’Atmosfera e del Clima del CNR 18:30 > Comune di Frascati, Sala degli Specchi Conferenza della prof.ssa Teresa Serra*, Ordinario di Filosofia del Diritto all’Università di Roma Sapienza, su: “Tra Scienza e Filosofia”
giovedì 22
sabato 24
15:00-16:00 > Area di Ricerca ARTOV, Tor Vergata Conferenza* “Attraverso la rivoluzione della Tecnologia e dell’Informatica” 18:30 >Comune di Frascati, Sala degli Specchi Conferenza del dott. Mirko Di Bernardo*, ricercatore presso l’Università di Roma Tor Vergata, su: “Teoria della complessità e scienze della vita: oltre il riduzionismo e il determinismo” Diversa…mente…Chimica > Centro di Riabilitazione Tangram, Roma Spettacolo scientifico rivolto ai diversamente abili con l’obiettivo di divulgare la conoscenza della Chimica. Un’iniziativa voluta e organizzata dalla Regione Lazio-Assessorato Cultura, Arte, Sport e riservata ai ragazzi dell’associazione Tangram e Special Olympics Italia. 17:00-24:00 > Passeggiata Belvedere, Frascati > European Corner 17:00-24:00 >Stand in Passeggiata, Frascati > Hands on experiments Giovani laureati in biologia saranno a disposizione per stupire i curiosi di tutte le età con esperimenti e laboratori per bambini, tra insetti e lenti di ingrandimento. 17:00-20:00 > Scuderie Aldobrandini, Frascati > Premio Gratton Premiazione della più meritevole tesi di Dottorato di Ricerca in Astronomia o Astrofisica realizzata nell’ultimo biennio in un Istituto di ricerca italiano.
Attività Enti di Ricerca venerdi 23 Settembre
14:00-23:00 Meet the researchers in the City of Science. Visite, eventi e attività presso gli enti di ricerca che aderiscono all’iniziativa. Per tutte le attività l’ingresso è libero ma è obbligatoria la prenotazione. Per prenotarsi: www.frascatiscienza.it
Area Ricerca Tor Vergata ARTOV ** 15:00-19:00 La Scienza in Piazza ARTOV. All’interno dell’Area di ricerca verranno allestiti stand dove saranno esposti alcuni esperimenti dei ricercatori CNR e INAF. Inoltre: mostre temporanee, proiezioni di filmati e misurazioni atmosferiche in diretta attraverso il volo di un aquilone. 15:00-17:00 Apertura dei Laboratori CNR e INAF. L’organizzazione e la partenza dei gruppi per le visite avverrà dalla Piazza ARTOV all’interno dell’Area.
ENEA Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile ** 16:00-24:00 Percorsi guidati tematici “la luce: dalla ricerca alle applicazioni” e “la fusione nucleare e l’elettromagnetismo”. Il pubblico potrà inoltre assistere ad applicazioni per le tecnologie ICT, alla visualizzazione 3D per la conoscenza e la formazione sul patrimonio culturale e ad esperimenti di superconduttività. 21:00 Spettacolo teatrale “Il Kyoto Fisso”.
INAF-OAR Istit. Naz. di Astrofisica-Osservatorio Astronomico di Roma ASI-ASDC Agenzia Spaziale Italiana-ASI Science Data Center ** 17:00-24:00 Osservazioni astronomiche insieme ai ricercatori; visite all’Astrolab, il laboratorio interattivo dell’INAF-OAR; visite alla Cupola Scozzesi; conferenze e presentazioni di libri.
INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ** 14:15-18:30 LNF Laboratori Nazionali di Frascati Tre turni di visite guidate e conferenze aperte al pubblico. 17:00-23:00 LNGS Laboratori Nazionali del Gran Sasso - Teramo Museo della Fisica e dell’Astrofisica Galileium: ricco programma di visite guidate, incontri con i ricercatori, attività didattiche, conferenze e spettacoli di teatro scientifico. 17:00-23:00 EGO VIRGO (Pisa)** Visite guidate e interattive, exhibits e caffè della scienza.
INGV Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia ** 16:00-24:00 Visite guidate nella sala di monitoraggio sismico e alla mostra sui terremoti e sul magnetismo. Per i più piccoli giochi sui comportamenti da tenere in caso di terremoto e un laboratorio di vulcanologia.
ESA ESRIN Agenzia Spaziale Europea ** 16:30-24:00 Quattro sessioni di visite della durata di due ore ciascuna per un massimo di 200 persone a sessione. Sarà presente l’ex-astronauta dell'ESA Umberto Guidoni che racconterà l’avventura dell’uomo nello spazio. A seguire i visitatori incontreranno i ricercatori ESA, ASI e dell’industria spaziale italiana e saranno accompagnati in un giro virtuale dello Spazio. Potranno osservare la Terra dall’alto, vedere pianeti e satelliti e realizzare esperimenti.
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PROGRAMMA
accastampato Rivista degli Studenti di Fisica dell’Universit`a Sapienza di Roma www.accatagliato.org EDITORIALE R EDAZIONE redazione@accatagliato.org
Ricercatori che lasciano il segno
Alessio Cimarelli jenkin@accatagliato.org
E` passato un anno dalla scorsa Notte Europea dei Ricercatori, la prima occasione in cui una neonata Accastampato ha avuto il suo battesimo di carta. Un anno in cui si sono succeduti i quattro numeri previsti, con il coinvolgimento di ben 19 autori di ogni et`a: studenti della triennale, dottorandi, giovani ricercatori e docenti. Un grande successo dell’iniziativa nata verso la fine del 2009 per opera di un gruppo di giovani studenti di fisica di Roma e resa possibile dall’appoggio della comunit`a on-line di Accatagliato e dell’omonima associazione di volontariato. Un’iniziativa con l’obiettivo dichiarato di costruire una rete di giovani studenti e ricercatori che si impegnassero, accanto al proprio lavoro di studio e ricerca, nella comunicazione della propria passione e di quella straordinaria avventura che e` la ricerca scientifica costruita giorno per giorno. Anche quest’anno l’associazione Frascati Scienza ne ha riconosciuto e ha rinnovato il proprio impegno a stampare e diffondere un numero di Accastampato a tema, tutto dedicato a uno dei grandi enigmi della fisica contemporanea, ponte tra il mondo dell’infinitamente piccolo e quello dell’immensamente grande: il neutrino. Una particella difficile, prima teorizzata per giustificare un’anomalia osservativa e poi individuata con enormi difficolt`a. Un mattone apparentemente secondario della materia conosciuta, ma attorno al quale ruota la sorte stessa della teoria pi`u avanzata di tutto ci`o che conosciamo: il Modello Standard. Un protagonista indiscusso della fisica delle particelle, che ha posto sfide ai fisici di tutto il mondo per almeno settant’anni e le cui propriet`a pi`u nascoste ancora sfuggono alla comprensione. Tra masse quasi nulle, oscillazioni e interazioni debolissime, Alessandro Minotti ci svela alcune peculiarit`a uniche della fisica del neutrino, la cui storia e` strettamente intrecciata a quella biografica di uno dei massimi scienziati italiani del ’900: Bruno Pontecorvo, ovvero il professor Neutrino, tratteggiato da due penne d’eccezione come Frank Close e Simone Turchetti.
Carlo Mancini carlo@accatagliato.org
Silvia Mariani shyka@accatagliato.org
Leonardo Barcaroli leov@accatagliato.org
Erica Chiaverini erica@accatagliato.org
Roberto Garra roberto@accatagliato.org
Niccol`o Loret niccolo@accatagliato.org
Isabella Malacari isabella@accatagliato.org
Massimo Margotti massimo@accatagliato.org
Angela Mecca lela@accatagliato.org
Kristian A. Gervasi Vidal krisgerv@accatagliato.org
C OMMISSIONE Giorgio Parisi
SCIENTIFICA
giorgio.parisi@roma1.infn.it
La quasi evanescente esistenza del neutrino ne fa una delle entit`a materiali pi`u difficili da osservare e quindi studiare. Vi e` un apparente paradosso nella necessit`a di costruire apparati sperimentali giganteschi per intercettare la particelle pi`u minuta e analizzarne il comportamento e le principali caratteristiche, ma proprio quest’inedita sfida ha richiesto di dar fondo a tutta la fantasia dei ricercatori per ottenere risultati affidabili: Claudia Tomei ci fa scendere nelle profondit`a del massiccio del Gran Sasso fino a CUORE, un esperimento che come spesso accade cerca di osservare un fenomeno apparentemente proibito, il decadimento doppio beta.
Giovanni Battimelli
Sempre nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, tra i pi`u grandi e importanti al mondo per questo tipo di esperimenti, si trova anche Borexino, un’enorme sfera cava d’acciaio in grado di intercettare i neutrini provenienti dalla nostra stella, il Sole. Da autentica appassionata del proprio lavoro, Margherita Buizza Avanzini ci racconta il mistero dei neutrini solari mancanti che ha tenuto in scacco la comunit`a scientifica mondiale per ben 35 anni e alla cui soluzione proprio Borexino potrebbe aggiungere gli ultimi dettagli.
Francesco Piacentini
Ma la caccia al neutrino non si d`a solo sotto terra, anche le profondit`a marine sono utili allo scopo. Giulia De Bonis, in un affascinante tuffo nel cosmo, ci immerge nelle strutture fluttuanti di ANTARES e ci lascia intravedere la strada verso il futuro progetto KM3NeT e l’installazione di un incredibile telescopio sottomarino di un chilometro cubo di volume. L`a fuori, sopra le nostre teste, dalle zone pi`u remote dell’Universo, per`o, non provengono solo i neutrini: anche le onde gravitazioni sono oggetti altrettanto sfuggenti e Irene Di Palma ci spiega come proprio l’osservazione congiunta di questi messaggeri dell’Universo pu`o fornire preziose informazioni su entrambi. Buona lettura e buona Notte a tutti!
giovanni.battimelli@uniroma1.it
Fabio Bellini fabio.bellini@roma1.infn.it
Lara Benfatto lara.benfatto@roma1.infn.it
Riccardo Faccini riccardo.faccini@roma1.infn.it
francesco.piacentini@roma1.infn.it
Antonio Polimeni antonio.polimeni@roma1.infn.it
Antonello Polosa antonio.polosa@roma1.infn.it
H ANNO CONTRIBUITO M. Buizza Avanzini, G. De Bonis, A. Cimarelli, A. Minotti, I. Di Palma, C. Tomei, F. Close.S. Turchetti.
S I RINGRAZIANO ANCHE Donald E. Knuth, Leslie Lamport, il TEX Users Group (www.tug.org) e Gianluca Pignalberi Con il patrocinio del
accastampato num. 6, Settembre 2011
La fisica del neutrino Ottant’anni di sfide per carpire i segreti della particella piu` sfuggente dell’Universo Alessandro Minotti (Dipartimento di Fisica dell’Universit`a Sapienza di Roma)
esistenza del neutrino fu postulata per la prima volta nel 1930 dal fisico austriaco Wolfgang Pauli, uno dei padri della meccanica quantistica, per spiegare il fenomeno dello spettro continuo del cosiddetto decadimento β. Un decadimento e` un processo fisico nel quale una particella perde la sua natura trasformandosi in altre particelle pi`u piccole. La differenza tra la massa della particella che decade e la somma delle masse delle particelle prodotte e` trasformata in energia di queste ultime, che non sono quindi ferme ma in movimento. Nel decadimento β un neutrone, particella
L’
Elettrone
Neutrone
Protone
Fotone
Neutrino elettronico
che vive nei nuclei degli atomi insieme al protone, si trasforma in un protone e un elettrone. Quest’ultimo, essendo molto pi`u piccolo dei primi due, trasporta la maggior parte dell’energia data dalla differenza delle masse e quindi viene espulso a grande velocit`a. Per questo motivo e` l’elettrone a essere osservato nel decadimento: in questo caso prende il nome di raggio β. Possiamo immaginare il tutto come una bottiglia di spumante che viene stappata. La bottiglia integra rappresenta il neutrone, il tappo e la bottiglia sono rispettivamente l’elettrone e il protone. Quando si stappa lo spumante, il tappo schizza via mentre la bottiglia, a causa del suo peso, resta praticamente ferma, come raffigurato schematicamente in Figura 1. Per via di questo fenoSpettro dell'energia meno l’energia con cui atteso in viene espulso l’elettroassenza di neutrino ne nel decadimento β dovrebbe essere sempre uguale e di poco infeSpettro riore alla differenza di dell'energia osservato massa tra il neutrone iniziale e il protone finale. Tuttavia i fisici che stuEnergia dell'elettrone Punto finale diarono questo processo dello spettro all’inizio del XX secolo notarono che le energie degli elettroni prodotti in queste reazioni non sono concentrate attorno a un unico valore, ma sono distribuite su un insieme ampio, ci`o che in fisica viene detto spettro continuo. Questo risultato si spiega facilmente se si ammette la produzione di un’ulteriore particella leggera come (o pi`u) dell’elettrone: l’energia liberata metterebbe infatti in modo entrambe le particelle prodotte, distribuendosi in maniera sempre diversa tra l’una e l’altra (cfr. Figura a lato). Fu proprio questa ipotesi che avanz`o Pauli nel 1930. Numero di elettroni
Da gi`u a su. Pacata, nel tuo piccolo, trasformi la mia natura dandomi carica e nuovi sapori. (Marco Fulvio Barozzi, Ti amo in Giovanni Keplero aveva un gatto nero, Scienza Express 2011)
Quest’eventuale particella deve soddisfare alcuni requisiti: essere elettricamente neutra, altrimenti si vedrebbe come prodotto del decadimento assieme all’elettrone, dato che le particelle cariche sono facilmente osservabili perch´e interagiscono elettricamente con gli atomi della materia; essere piccola almeno quanto l’elettrone. Per queste ragioni Enrico Fermi, che a lungo studi`o i decadimenti β, la battezz`o neutrino, ovvero una versione molto piccola del neutrone. In realt`a, come venne alla luce poi, il neutrino e` una particella molto diversa non solo dal neutrone, ma anche da qualsiasi altra particella conosciuta.
Figura 1 – Rappresentazione grafica del decadimento β. Clip art da nipic.com.
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IL RICERCATORE ROMANO
Scoperta del neutrino Dagli studi di Fermi del 1934 dovettero passare ben 26 anni prima che il neutrino fosse effettivamente scoperto. Nel 1956, infatti, i fisici Clyde Cowan e Fred Reyes nel corso di un esperimento eseguito presso il reattore a fissione di Savannah River, nel sud-est degli Stati Uniti, osservarono reazioni indotte da neutrini liberi. Il motivo di questo ritardo sta nel fatto che i neutrini non solo sono immensamente pi`u piccoli di neutroni e protoni, ma sono molto pi`u piccoli anche degli stessi elettroni. In effetti le masse dei neutrini sono a tutt’oggi sconosciute, ma si sa per certo che non superano la cinquantamillesima parte della massa dell’elettrone (o la centomilionesima parte della massa del protone e del neutrone). Come se non bastasse, delle tre forze fondamentali della fisica delle particelle (Forte, Debole ed Elettromagnetica), che insieme alla gravit`a costituiscono tutte le forze esistenti, i neutrini sono coinvolti solo nella pi`u debole delle tre (la Forza Debole appunto), mentre sono insensibili alle altre due. Questo fatto, oltre a rendere i neutrini particelle uniche, fa s`ı che siano estremamente sfuggenti. Per capire l’entit`a di quanto detto bisogna pensare che occorrerebbe un ipotetico muro di piombo spesso un anno-luce per fermare solo la met`a dei neutrini che lo attraversano! Com’`e possibile quindi vedere queste inafferrabili particelle? La risposta e` molto semplice: bisogna avere un enorme apparato sperimentale e tantissimi neutrini, aspettando che una piccolissima parte di essi interagisca con la materia di cui e` composto l’apparato, venendo quindi osservata. E` quello che fecero Cowan e Reines mettendosi vicino a una centrale nucleare, dove vengono prodotti ogni giorno miliardi di neutrini. E` quello che si fa anche oggi, con fasci intensissimi di neutrini prodotti in grandi acceleratori di particelle come quello del CERN in Europa, del Fermilab negli Stati Uniti o di Tokai in Giappone.
Sorgenti di neutrini Oltre alle sorgenti artificiali di neutrini a cui abbiamo accennato (i reattori termonucleari e gli acceleratori) ne esistono anche e soprattutto di naturali. I neutrini vengono infatti prodotti in grande quantit`a nel Sole (che e` in effetti un gigantesco reattore nucleare) o nelle esplosioni di supernovae, oppure sono prodotti nell’atmosfera dai raggi cosmici1 . Esiste inoltre un’enorme quantit`a di neutrini prodotti durante il Big Bang che viaggiano ancora indisturbati nello spazio, il cosiddetto fondo cosmico di neutrini, ma anche un discreto numero di neutrini provenienti da decadimenti nella roccia naturale del sottosuolo, il fondo geologico di neutrini. In verit`a siamo invasi dai neutrini, specialmente da quelli solari: ogni secondo, infatti, per ogni centimetro quadrato della superficie terrestre (ma anche della superficie del nostro corpo) passano 1
I raggi cosmici sono particelle di vario tipo provenienti dallo spazio che interagendo con l’atmosfera possono produrne altre, creando sciami di particelle che arrivano fin sulla superficie terrestre.
Figura 2 – Aspetto tipico di un rivelatore di neutrini sotterraneo. In questo caso si tratta del Sudbury Neutrino Observatory in Ontario, Canada. Da interactions.org.
65 miliardi di neutrini provenienti dal Sole! Il problema di questi neutrini naturali e` che trasportano molta meno energia di quelli da reattore. Poich´e la probabilit`a che interagiscano con la materia dipende proprio dalla loro energia, questo fa s`ı che siano ancora pi`u difficili da vedere, richiedendo una tecnologia molto sofisticata per la loro identificazione. Per questo motivo la fisica dei neutrini solari ha dovuto aspettare gli anni Sessanta del ’900 per vedere la luce. Anche i neutrini del fondo cosmico, bench´e abbiano un flusso molto elevato, sono a tuttora invisibili per via della loro bassissima energia, mentre le misure recenti sul fondo geologico, anch’esso di difficile rilevazione, stanno aprendo frontiere pionieristiche alle ricerce sulla struttura interna della Terra.
Neutrini in vari sapori Quanto detto finora basta per capire come i neutrini siano particelle uniche tra tutte quelle conosciute e perch´e un grande numero di fisici influenti abbia dedicato parte della propria carriera al loro studio, che finora e` valso l’assegnazione di ben tre premi Nobel nel 1988, 1995 e 2002. Non abbiamo per`o ancora parlato del fenomeno pi`u particolare che caratterizza queste particelle: il fenomeno dell’oscillazione dei neutrini. Per cominciare, non esiste un solo tipo di neutrino, ma ben tre. Nel 1962, infatti, i tre fisici Leon Lederman, Melvin Schwartz
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IL RICERCATORE ROMANO
e Jack Steinberg scoprirono l’interazione del neutrino muonico, ovvero il neutrino che viene prodotto assieme al muone (o µ), una particella del tutto simile all’elettrone, ma circa 200 volte pi`u massiva. Si tratta di un processo del tutto analogo a quello del vecchio neutrino (che da ora sar`a identificato come neutrino elettronico), che viene prodotto insieme all’elettrone nel decadimento β. Nel 1975 una terza particella simile, ma pi`u grande di muone ed elettrone, venne scoperta e chiamata tauone (o τ) e tutti credettero che sarebbe stato presto trovato il suo rispettivo neutrino, cosa che puntualmente avvenne nel 2000. La particolarit`a delle tre famiglie di neutrini associate ai diversi leptoni (cos`ı vengono chiamati insieme elettrone, muone e tau) e` che ogni tipo diverso di neutrino viene creato solo insieme al proprio leptone di riferimento e interagisce prevalentemente con esso. Il motivo di ci`o sta nell’esistenza di due diversi tipi di interazione debole, che come abbiamo detto e` l’unica forza fondamentale che coinvolge i neutrini: una pi`u probabile, detta di Corrente Carica, sensibile alla famiglia della particella; l’altra, detta di Corrente Neutra, insensibile alla famiglia della particella. In altre parole i neutrini di una famiglia interagiscono con i leptoni della stessa famiglia in Corrente Carica e, meno frequentemente, con tutti e tre i leptoni in Corrente Neutra. Le tre famiglie (elettrone e neutrino elettronico, muone e neutrino muonico, tauone e neutrino tauonico) sono chiamate in fisica flavour, che si traduce in italiano come sapore. Creazione (interazione debole)
Propagazione (tempo / distanza percorsa)
Rivelazione (interazione debole)
Neutrino di tipo definito (per es. muone)
Tipo indefinito
Neutrino di tipo definito (per es. elettrone)
Figura 3 – Rappresentazione logica del fenomeno dell’oscillazione dei neutrini.
Oscillazione dei neutrini Il fenomeno dell’oscillazione del neutrino, di cui vediamo una schematizzazione in Figura 3, si inserisce in questo contesto. Quello che si osserva e` che neutrini di una famiglia durante la loro vita non restano tali, ma possono trasformarsi in neutrini di un’altra famiglia. Si tratta di un fenomeno di meccanica quantistica simile all’interferenza della luce, la cui comprensione ha richiesto un intenso e lungo lavoro di una parte della comunit`a della fisica delle particelle. Tutto cominci`o verso la fine degli anni ’60, quando alcuni fisici guidati da Raymond Davis e John Bahcall decisero di studiare nella miniera di Homestake, negli Stati Uniti, i neutrini provenienti dal Sole. Essi notarono che il flusso di neutrini che arrivava a terra era circa un terzo di quello che si aspettavano dalle loro conoscenze sulle reazioni termonucleari che avvengono nel Sole, dando vita a ci`o che allora venne chiamato il problema dei neutrini solari. Lo stesso risultato fu pi`u o 8
meno confermato da altri esperimenti che seguirono per indagare sui risultati di Homestake, tra cui un esperimento italiano posto nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso chiamato GALLEX. Il motivo della discrepanza che tutti riscontrarono tra numero di eventi osservati e numero di eventi aspettati risiedeva nel fatto che si osservavano le interazioni dei neutrini del Sole con gli elettroni contenuti nei rivelatori e si era quindi in grado di vedere tutti i neutrini interagenti in Corrente Neutra, ma solo i neutrini di tipo elettronico interagenti in Corrente Carica. I neutrini prodotti nel Sole sono s`ı tutti di tipo elettronico, ma il fenomeno dell’oscillazione fa s`ı che alcuni di essi si trasformino in neutrini muonici e tauonici, che non possono interagire in Corrente Carica con gli elettroni a terra, ma solo in Corrente Neutra che, come abbiamo detto, ha una frequenza minore. Prima di ipotizzare il fenomeno dell’oscillazione del neutrino per`o ci volle del tempo. Inizialmente infatti molti pensarono a errori nel modello solare che prevedeva il numero di neutrini prodotti nella stella. Fu grazie all’esperimento SNO (Sudbury Neutrino Observatoryi, visibile in Figura 2), che oper`o in Canada a partire dal 1999, che il problema dei neutrini solari ebbe la sua soluzione definitiva. L’esperimento SNO, infatti, fu il primo a poter distinguere gli eventi in Corrente Neutra da quelli in Corrente Carica, mostrando che i primi erano compatibili con le ipotesi sulle reazioni del Sole, mentre solo i secondi mostravano un numero minore di dati per via del cambiamento di famiglia dei neutrini elettronici del Sole, ovvero per l’oscillazione di tali neutrini.
La ricerca sui neutrini oggi La scoperta dell’oscillazione del neutrino ha chiuso il problema dei neutrini solari, ma ha aperto dibattiti pi`u numerosi e complessi. Oltre infatti alle molte questioni ancora aperte, tra cui le masse dei neutrini che a tuttora restano sconosciute, si e` avviata la ricerca dei parametri che regolano l’oscillazione, che sono molti e di non facile determinazione. I neutrini, poi, sono un punto cruciale per l’Astrofisica, e lo studio delle loro caratteristiche influisce su alcune importanti questioni della cosmologia attuale. Si tratta di un panorama molto ampio che costituisce una delle principali linee di ricerca della fisica delle particelle elementari e di cui troverete alcuni punti fondamentali nel seguito di questo numero.
Sull’autore Alessandro Minotti (minotti4@libero.it) si e` laureato in Fisica presso l’Universit`a Sapienza di Roma nel 2009.
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Il professor Neutrino Bruno Pontecorvo: la vita contraddittoria di un grande scienziato italiano Frank Close, Simone Turchetti (Universit`a di Oxford e Manchester)
i Bruno Pontecorvo (1913-1993) si sanno soprattutto due cose. La prima e` che nel Settembre 1950 l’allievo del premio Nobel Enrico Fermi scompare misteriosamente durante una vacanza in Italia. Dietro la sua scomparsa si cela una rocambolesca fuga verso l’Unione Sovietica, proprio nel momento in cui il mondo e` diviso dalla Cortina di Ferro e nei paesi anglosassoni sono in corso diverse inchieste di spionaggio atomico. La seconda e` che sia prima che dopo la misteriosa fuga, Pontecorvo e` uno dei pochi esperti al mondo nello studio dei neutrini. Queste enigmatiche particelle sono al centro dei suoi interessi di ricerca, tanto che sviluppa importanti ipotesi circa le loro interazioni. C’`e quindi un fondo di ironia nelle vicende personali e professionali di Pontecorvo, noto per una fuga che gli cambi`o la vita e per una vita dedicata alla caccia di sfuggenti particelle.
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Una piscina piena di cloro Non e` ben chiaro quando Pontecorvo cominci`o a occuparsi del neutrino. Nel 1933 Wolfgang Pauli aveva ipotizzato la sua esistenza per spiegare le interazioni deboli alla luce del principio di conservazione dell’energia, mentre nel 1945 Pontecorvo aveva gi`a indirizzato i suoi interessi in quella direzione, impegnandosi in una ricerca che lo avrebbe accompagnato per il resto della sua carriera scientifica. Proprio in quegli anni, lavorando presso la stazione nucleare di Chalk River, in Canada, Pontecorvo si rese conto di avere i mezzi giusti per iniziare a indagare. Il laboratorio era dotato del primo reattore al mondo ad acqua pesante e produceva reazioni nucleari di grande intensit`a. Il ragionamento di Pontecorvo fu molto semplice: nella zuppa di particelle venivano prodotti probabilmente qualcosa come 10 milioni di miliardi di neutrini al secondo. Con un po’ di pazienza e gli strumenti giusti, forse avrebbe potuto prenderne qualcuno. Ma all’epoca catturare neutrini con un rivelatore era come cercare di prendere una farfalla con una rete da pesca: praticamente impossibile.
Pertanto decise di registrare la presenza non tanto dei neutrini, quanto piuttosto degli elementi chimici prodotti dalla loro interazione con la materia. Enrico Fermi aveva ipotizzato poco tempo prima, infatti, che quando un neutrino urta un nucleo, quest’ultimo si carica elettricamente. La cattura dell’elettrone prodotto da parte del nucleo provoca poi la trasmutazione dell’elemento. Pontecorvo aveva quindi pensato a un modo per verificare l’ipotesi di Fermi congeniando un esperimento in cui l’interazione dei neutrini con l’isotopo 37 del cloro avrebbe permesso la produzione di una minuscola quantit`a dell’equivalente isotopo di argon. L’argon radioattivo avrebbe quindi funzionato nell’esperimento come una specie di antenna per registrare la presenza di neutrini. L’idea valse a Pontecorvo importanti riconoscimenti nella piccola comunit`a di ricerca canadese, ma realizzarla risult`o impossibile. Avrebbe avuto bisogno di una piscina contenente diversi metri cubi di tetracloruro di carbonio oppure alcune tonnellate di clorina per poter sperare di ottenere qualche atomo di argon: il ritrovamento del classico ago nel pagliaio o la vincita di un terno al lotto. Quando nel 1948 Pontecorvo inform`o Fermi dei suoi piani, il premio Nobel lo consider`o una sorta di Don Chisciotte in lotta con i neutrini invece che con i mulini a vento. Ma il testardo Pontecorvo aveva capito che un elemento inerte come l’argon non poteva reagire con altri elementi e si sarebbe potuto estrarre semplicemente attraverso ebollizione. Oppure la sua presenza poteva registrarsi attraverso la misurazione dei livelli di radioattivit`a. Che avesse in parte ragione fu dimostrato tuttavia da alcuni suoi colleghi americani pochi anni dopo. Nel 1954 Raymond Davis Jr. tent`o senza successo di rivelare l’esistenza del neutrino presso il reattore nucleare di Savannah usando proprio il metodo congeniato dall’italiano. Nel 1956, invece, gli scienziati americani Clyde Cowan e Frederick Reines dimostrarono finalmente l’esistenza dell’anti-neutrino usando un rivelatore a scintilla presso il reattore di Hanford. Non c’`e dubbio che quest’ultima scoperta ebbe poco a che fare con l’intuizione di Pontecorvo, ma sia lui che Davis avrebbero potuto anticiparla se solo i reattori avessero prodotto neutrini invece di anti-neutrini. E quando Davis us`o lo stesso metodo per i neutrini solari ebbe successo visto che il sole produce neutrini e non anti-neutrini. Va sottolineato che Davis inizi`o le sue ricerche pochi anni dopo la fuga di Pontecorvo in Russia, quando ancora non si sapeva dove l’allievo di Fermi fosse finito. Al tempo egli gi`a lavorava al centro nucleare di Dubna (cfr. Figura 1), dove gli fu negata la possibilit`a di usare reattori nucleari. Quando Cowan e Reines completarono le loro ricerche sull’anti-neutrino, di Pontecorvo si sapeva sola-
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LE SPALLE DEI GIGANTI
Figura 1 – Un foto aerea del complesso del Joint Institute for Nuclear Research di Dubna, in Russia. Da wwwinfo.jinr.ru.
mente che viveva in Russia visto che nel 1955 aveva scritto due articoli sulla Pravda e l’Izvestia facendo chiarezza sulla scomparsa di cinque anni prima. Dunque le circostanze molto particolari della sua emigrazione in Unione Sovietica ebbero un impatto non indifferente sulle sue ricerche, visto che non pot´e approfondire i suoi studi in articoli di ricerca pubblicati su riviste internazionali o commentare i risultati dei ricercatori americani. Alla fine Reines e Davis ricevettero il premio Nobel per le loro scoperte nel 1995, mentre Pontecorvo dovette accontertarsi del premio Stalin.
Particelle con un’identita` multipla Pontecorvo continu`o a occuparsi per molti anni di neutrini. Gi`a prima della sua partenza per l’Unione Sovietica aveva studiato i mesoni, le particelle cariche instabili che costituiscono i raggi cosmici. In Russia Pontecorvo pens`o quindi che il decadimento dei mesoni presentasse delle analogie con quello dei neutrini e, dato che proprio in quegli anni si era ormai compreso che i mesoni esistono in diverse tipologie (oggi meglio conosciuti come pioni, o mesoni π, e muoni, o mesoni µ), egli concluse che anche i neutrini costituissero una famiglia di particelle (l’analogia fu poi formalizzata da Giampiero Puppi). Anche in questo caso tuttavia, Pontecorvo non riusc`ı mai a dimostrare le sue ipotesi. Il centro di Dubna non era dotato di adeguati strumenti di ricerca per investigare le differenze tra i diversi tipi di neutrini e quando Pontecorvo chiese di poter partecipare alle ricerche di altri gruppi europei che disponevano di tali strumenti, come il CERN ad esempio, gli fu sempre negata questa possibilit`a. Furono quindi Mel Schwartz, Jack Steinberger e Leon Lederman, negli anni Settanta, a provare l’esistenza di diverse variet`a di neutrini attraverso un esperimento con l’acceleratore del laboratorio americano di Brookhaven. E anche loro ricevettero il premio Nobel nel 1988 per queste ricerche. 10
Nel frattempo Davis si concentr`o sui neutrini solari con risultati piuttosto contraddittori. Notando la discrepanza fra il numero di neutrini solari prodotti dal Sole previsti dalla teoria e quelli che era possibile registrare sulla Terra, egli concluse persino che il Sole stava per esaurire il suo carburante: il presagio di un imminente disastro cosmico! Oggi sappiamo che il Sole non aveva colpa per lo strano fenomeno ed erano invece proprio i neutrini a esserne responsabili, visto che nel viaggio dal Sole alla Terra cambiano sapore. In realt`a gi`a nel 1968 lo scienziato nato in Italia e residente in Russia offr`ı una scappatoia al problema dei neutrini solari, che invece avrebbe occupato Davis per un altro decennio. Insieme al suo collega Vladimir Gribov, infatti, Pontecorvo ipotizz`o che il Sole produceva prevalentemente neutrini elettronici, gli stessi rivelabili attraverso il metodo cloro-argon. Se avessero viaggiato nella stessa forma fino alla Terra, se ne sarebbe potuta naturalmente rivelare la presenza circa otto minuti dopo la loro emissione, ma secondo i due ricercatori la gran parte di questi neutrini cambiava stato nel tragitto, diventando neutrini muonici, in una forma in cui non potevano essere rivelati con lo stesso metodo. Solo quei pochi che rimanevano elettronici nel tragitto finivano dunque nella trappola di Davis. Pontecorvo aveva insomma intuito che i neutrini solari hanno una sorta di disturbo della personalit`a e cambiano identit`a nel viaggio dal Sole alla Terra. Un’intuizione che per`o non ricevette supporto all’interno della comunit`a dei fisici, anche perch´e al tempo contraddiceva la teoria standard sulle particelle elementari. Gribov e Pontecorvo, infatti, avevano anche capito che le leggi della meccanica quantistica autorizzano il neutrino a oscillare da uno stato all’altro solo a patto che si rimetta in discussione l’assunto secondo cui il neutrino non abbia una massa. Oggi sappiamo che effettivamente una massa, seppur piccolissima, il neutrino ce l’ha.
Figura 2 – L’interno dell’osservatorio di neutrini di Baksan dell’istituto per le ricerche nucleari russo in una foto del 2005. Da www.awa. tohoku.ac.jp.
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LE SPALLE DEI GIGANTI
Cos`ı nel corso degli anni Settanta part`ı la caccia al neutrino solare. Nel 1974 Pontecorvo e tre suoi colleghi annunciarono l’intenzione di costruire un tunnel sotto il Caucaso lungo 4 chilometri come sede di un nuovo laboratorio per i neutrini contenente una vasca con 2 milioni di litri di clorina, cio`e circa cinque volte pi`u grande di quella usata da Davis. Per catturare tutti i neutrini solari, Pontecorvo pens`o di usare il gallio, che, a differenza del cloro, consente la cattura anche di quelli di minor energia. Moissey Markov, direttore della sezione di fisica nucleare dell’Accademia delle Scienze sovietica, fu entusiasta del progetto e aiut`o Pontecorvo a realizzare l’osservatorio dei neutrini di Baksan (cfr. Figura 2). Gli effetti dell’avvio di quest’avventura furono molteplici, sia a breve che a lungo periodo. Le sessanta tonnellate di gallio necessarie per l’esperimento prosciugarono tutte le risorse al tempo disponibili sulla Terra. Uno studio cos`ı innovativo stimol`o la distensione fra superpotenze. Il Soviet American Gallium Experiment (SAGE) fu successivamente rinominato come esperimento russo dopo il crollo dell’impero sovietico, ma l’acronimo rimase. L’uso del gallio caratterizz`o negli anni Novanta anche l’esperimento GALLEX, sviluppato da un consorzio europeo e capace per la prima volta di rivelare i neutrini primari prodotti dal Sole. Solo nel 2000 il mistero dei neutrini solari fu risolto, prima con l’osservazione dei neutrini muonici e dopo con lo studio delle cascate di neutrini prodotte dai raggi cosmici che consentirono di avere la certezza della loro oscillazione. Davis fu protagonista e testimone di queste straordinarie scoperte e mor`ı nel 2006. Purtroppo anche in questo Pontecorvo arriv`o prima di altri ricercatori: mor`ı nel 1993 malato del morbo di Parkinson e non pot´e quindi assistere alle imprese scientifiche che confermarono clamorosamente alcune delle sue mirabili ipotesi.
no l’esistenza dell’enigmatica particella, Pontecorvo era ancora ufficialmente scomparso. Dopo la sua ricomparsa egli propose ipotesi convincenti circa l’oscillazione dei neutrini, ma si trattava di congetture fin troppo innovative e, come spesso accade, furono accolte con indifferenza. Ma interpretando i neutrini solari come particelle che non seguono le convenzioni, un po’ eccentriche, propense al cambio di identit`a, Pontecorvo dimostr`o la sua opposizione a un approccio dogmatico alla ricerca e l’intenzione di rimettere in discussione anche principi della fisica assodati. E chiss`a se in questa sua intepretazione non ci fosse anche un qualcosa di autobiografico, essendo stato lui stesso un po’ eccentrico e avendo oscillato pericolosamente tra l’Occidente capitalista e il Comunismo sovietico.
Bibliografia [1] Close F. Neutrino. Oxford University Press (2010) [2] Close F. Antimateria. Einaudi (2009) [3] Turchetti S. Il Caso Pontecorvo. Sironi (2007) [4] Pontecorvo B. Pages in the development of neutrino physics. In Soviet Physics Uspekhi, vol. 26:1087 (1983) [5] Pontecorvo B. e Bilenkij S. B. Pontecorvo selected scientific works. Recollections on B. Pontecorvo. Soc. Ital. di Fisica (1997) [6] Bonolis L. Un genio di Via Panisperna. In Sapere, pp. 24–34 (apr. 2004) [7] Gribov V. e Pontecorvo B. Neutrino astronomy and lepton charge. In Physics Letters B, vol. 28(7):493–496 (1969)
L’eredita` di Pontecorvo Gli uomini di scienza in genere si ricordano per quello che hanno fatto e non per quello che non sono mai riusciti a fare. Per Pontecorvo per`o bisognerebbe fare un’eccezione, se non altro perch´e i suoi studi erano davvero meritevoli di un premio Nobel, com’`e dimostrato dal fatto che tutti coloro che si misero alla caccia dei neutrini seguendo intuizioni simili alle sue ne ottennero uno: Schwartz, Steinberg e Lederman nel 1988, Reines nel 1995 e Davies nel 2002. Con il senno del poi si potrebbe anche dire che Pontecorvo aveva avuto ragione due volte sui neutrini. La prima quando aveva individuato il metodo giusto per rivelare i neutrini solari. La seconda quando aveva mostrato che proprio quel metodo non avrebbe consentito a Davis di registrarli tutti a causa della loro oscillazione. Ma che avesse ragione lo sapevano in pochi visto che i risultati delle sue ricerche furono spesso ignorati. Le straordinarie circostanze della vita e della carriera di Pontecorvo furono in parte la causa di questa situazione paradossale. In Unione Sovietica non disponeva dei mezzi necessari per completare le sue ricerche sui neutrini e mentre altri rivelava-
Sull’autore Frank Close (f.close1@physics.ox.ac.uk) e` professore di fisica presso l’Universit`a di Oxford e autore di numerosi saggi di fisica delle particelle tra cui il recente “Neutrino” (Oxford University Press, 2010) e il volume “Antimateria” (Einaudi, 2009, traduziona italiana a cura di Giorgio P. Panini). Simone Turchetti (simone.turchetti@ manchester.ac.uk) e` ricercatore presso l’Universit`a di Manchester e autore del saggio “Il Caso Pontecorvo” (Sironi Editore, 2007) di prossima pubblicazione in inglese (“The Pontecorvo Affair”, University of Chicago Press, 2011).
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Cuor di neutrino Passione e determinazione per sollevare il velo del decadimento doppio beta Claudia Tomei (INFN di Roma)
gni volta che sento parlare di un nuovo risultato sperimentale sulla fisica del neutrino, mi viene in mente quando nel 1998 all’Universit`a dell’Aquila seguivo il corso di Fisica delle Particelle. Ho conosciuto qui il neutrino e ho percepito l’enorme interesse e l’entusiasmo dei fisici per questa elusiva particella: erano gli anni in cui si cominciava a parlare con convinzione delle oscillazioni di neutrini, oggi ormai universalmente accettate dalla comunit`a sperimentale, e si progettavano nuovi e ambizioni esperimenti che oggi hanno gi`a esaurito con successo il loro programma di ricerca, lasciando spazio a progetti ancora pi`u avanzati. Nonostante l’enorme sforzo sperimentale messo in campo, i grandi progressi e i successi raggiunti, a tanti anni di distanza il neutrino nasconde ancora molti misteri e le domande ancora aperte intrigano i fisici e li spingono ad andare sempre pi`u a fondo.
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Il protagonista di questo articolo si chiama CUORE, un esperimento che spinger`a al limite la tecnologia allo scopo di scoprire il decadimento doppio beta: un decadimento rarissimo, finora mai osservato, che getterebbe nuova luce sulle propriet`a ancora sconosciute di questa elusiva particella chiamata neutrino.
I tre segreti del neutrino Nella storia della fisica delle particelle e` spesso successo che particelle nuove venissero scoperte durante gli esperimenti e poi studiate e classificate fino a trovare posto in una determinata teoria. Per il neutrino e` successo il contrario: la sua esistenza e` stata prima ipotizzata teoricamente e poi, dopo quasi trent’anni, finalmente provata sperimentalmente. Tuttavia il neutrino presenta ancora degli aspetti che sfuggono all’osservazione dei fisici e che impediscono una sua precisa descrizione teorica. I tre segreti ancora nascosti del neutrino sono quelli che i fisici pi`u ostinatamente cercano di svelare. Massa e oscillazioni Nel Modello Standard1 il neutrino e` privo di massa, ma negli ultimi decenni i risultati di molti esperimenti hanno mostrato che una massa deve pur averla, per quanto piccolissima. Si e` infatti osservato che i neutrini possono cambiare sapore durante il loro 1
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Si tratta della teoria che attualmente descrive le interazioni elettromagnetica, nucleare forte e debole di tutte le particelle elementari conosciute.
cammino dalla sorgente al rivelatore. La scoperta delle oscillazioni di sapore e` stata di fondamentale importanza e questo spiega anche l’eccezionale sforzo sperimentale messo in campo dai fisici di tutto il mondo per poter investigare questo fenomeno. Dagli anni ’90 diverse generazioni di esperimenti si sono cimentate nello studio delle oscillazioni, ciascuna aggiungendo un piccolo o grande pezzo all’intricato puzzle. Questo fino ai giorni nostri, dove ormai la conoscenza del meccanismo delle oscillazioni e` quasi completa. La probabilit`a per un neutrino di oscillare da un sapore all’altro dipende dalla differenza delle masse al quadrato, quindi per poter oscillare i neutrini devono esserne dotati. Allo stesso tempo per`o gli esperimenti che hanno rivelato le oscillazioni di sapore hanno potuto solo misurare queste differenze di massa al quadrato, ma non il loro valore assoluto. Per questo serve una misura indipendente che prescinda dalle oscillazioni e che si riferisca a un diverso fenomeno fisico, per esempio il decadimento beta semplice oppure il decadimento doppio beta. La gerarchia Sempre dai risultati delle oscillazioni sappiamo che dei tre neutrini, due (che vengono indicati convenzionalmente con m1 e m2 ) hanno una differenza di massa molto piccola, dell’ordine di 10−2 eV2 , mentre la massa del terzo differisce da quella degli altri due di un valore circa cinque volte maggiore. Resta per`o da capire se quest’ultimo, definito convenzionalmente m3 , sia il pi`u pesante o il pi`u leggero. Nel primo caso si parla di gerarchia diretta delle masse, perch´e hanno un ordine crescente come m1 , m2 e m3 , nel secondo caso si parla di gerarchia inversa. L’antineutrino La scoperta di una massa del neutrino diversa da zero ha costretto i fisici a rivedere il Modello Standard aggiungendo una massa per i neutrini e per gli antineutrini. Essendo il neutrino un fermione, cio`e una particella di spin semi-intero come l’elettrone, un modo di descriverlo sarebbe secondo la teoria di Fermi in cui neutrino e antineutrino sono due particelle distinte. Tuttavia il fisico Majorana ha ipotizzato la possibilit`a per il neutrino di essere l’antiparticella di se stesso. Questo e` possibile solo se il neutrino e` massivo e ora sappiamo che lo e` : molti fisici teorici sostengono 2
In fisica delle particelle e` conveniente misurare le masse mediante unit`a di misura di energia, sfruttando l’equivalenza massa-energia della relativit`a speciale: 1, 0 eV ∼ 1, 6 × 10−22 g
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IL RICERCATORE ROMANO
che l’ipotesi di Majorana garantirebbe la descrizione pi`u naturale del neutrino massivo all’interno del Modello Standard.
Il decadimento doppio beta Nel 1939 F. Furry stabil`ı che l’esistenza del neutrino di Majorana implicava la possibilit`a che si verificasse un processo che battezz`o con il nome di decadimento doppio beta. Come mostrato nella Figura a lato, il decadimento beta semplice produce un protone, un elettrone e un antineutrino. E` tuttavia possibile anche il processo inverso: un neutrino collide con un neutrone che emette un protone e un elettrone. Se il neutrino e l’antineutrino sono la stessa particella, allora l’antineutrino prodotto dal primo decadimento beta potrebbe a sua volta (nelle vesti di un neutrino) collidere con un neutrone ed emettere un altro protone e un secondo elettrone. Complessivamente l’effetto del decadimento doppio beta e` quello di trasformare due neutroni del nucleo in due protoni con l’emissione di due elettroni senza che compaia alcun neutrino. Il decadimento doppio beta senza neutrini non e` mai stato osservato sperimentalmente. E` stato invece osservato il processo simile, denominato decadimento doppio beta con emissione di neutrini, in cui un nucleo per cui il decadimento doppio beta semplice non e` permesso per ragioni energetiche effettua invece due decadimenti beta contemporaneamente, con l’emissione di due elettroni e due neutrini. A dispetto della somiglianza tra i due processi le differenze dal punto di vista teorico sono fondamentali. Perch´e il decadimento doppio beta accada il neutrino deve essere di Majorana e dunque dotato di massa: questo decadimento non pu`o accadere all’interno della teoria del Modello Standard. Il decadimento doppio beta con emissione di neutrini, per quanto raro, e` invece perfettamente ammissibile e non necessita di un neutrino dotato di massa per accadere. Fino a oggi e` stato osservato sperimentalmente per diversi nuclei con una frequenza dell’ordine di un evento ogni 1020 anni. L’osservazione sperimentale del decadimento doppio beta senza neutrini fornirebbe in un solo colpo la risposta alle tre domande ancora aperte che abbiamo descritto prima. Misurando il tempo caratteristico di questo decadimento (una volta osservato) si pu`o ricavare il valore della cosiddetta massa di Majorana ovvero una combinazione lineare dei tre autostati di massa dei neutrini. La misura della massa di Majorana fornirebbe una misura diretta della scala di massa del neutrino, distinguerebbe il caso della gerarchia inversa dal caso della gerarchia diretta delle masse e infine proverebbe la natura di Majorana del neutrino. Non c’`e da stupirsi che i fisici ritengano questa scoperta una delle sfide pi`u importanti della moderna fisica delle particelle.
La battaglia per il fondo zero L’osservazione sperimentale del decadimento doppio beta senza neutrini sarebbe quanto di pi`u semplice ci si possa augurare in fisica delle particelle. I due elettroni emessi nello stato finale portano via infatti tutta l’energia della transizione, che si chiama Qvalore ed e` semplicemente la differenza tra la massa del nucleo padre e quella del nucleo figlio. Se i due elettroni vengono rivelati entrambi danno luogo a un segnale proprio all’energia del Q-valore, nota per ogni nucleo. L’approccio pi`u semplice e` dunque di concepire un rivelatore che contenga al suo interno grandi quantit`a di materiale emettitore doppio beta3 e attendere per un tempo sufficientemente lungo fino a evidenziare un picco di eventi all’energia del Q-valore del nucleo scelto. Data la bassissima probabilit`a prevista in questo caso, in media inferiore a un evento ogni 1024 anni, avere a disposizione una grande massa e` necessario per avere un ragionevole numero di eventi (diciamo circa 10) nel tempo di vita tipico di un esperimento (5 ÷ 10 anni). La realt`a purtroppo e` assai pi`u complicata del semplice scenario che abbiamo illustrato a causa del problema del fondo, ovvero di tutti quegli eventi che potrebbero dare un segnale indistinguibile da quello degli elettroni emessi nel decadimento doppio beta, pur essendo di natura completamente diversa. Nel nostro caso si tratta di decadimenti radioattivi4 di materiali vicini ai rivelatori oppure interazioni di particelle provenienti dall’ambiente in cui il rivelatore si trova a operare. E` facile capire che se nella regione di energia in cui aspettiamo il nostro segnale siamo sommersi da fondo di altra natura, osservare pochi eventi sarebbe come cercare di captare le note di un violino all’interno di uno stadio di calcio al momento del gol. Le strategie per combattere il fondo sono sostanzialmente due: schermi di materiali pesanti posti tutt’intorno al rivelatore in modo da assorbire le particelle provenienti dall’esterno (muoni cosmici, neutroni, radioattivit`a ambientale) e scelta di materiali il pi`u possibile radiopuri per la costruzione di ogni singola parte dell’esperimento, con la massima attenzione alle parti in stretto contatto con i rivelatori. Finora gli esperimenti per la rivelazione del decadimento doppio beta hanno raggiunto livelli di fondo dell’ordine di un conteggio ogni 5 kg, per keV e per anno, ma per poter spingere la sensibilit`a degli esperimenti futuri fino a testare i valori della massa suggeriti dagli esperimenti sulle oscillazioni di neutrini bisogna almeno ridurre il fondo di un fattore 20, uno sforzo tecnico assolutamente non banale, visti i livelli di partenza gi`a eccezionalmente bassi. 3
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Questo approccio in cui la sorgente del decadimento e il rivelatore coincidono si dice calorimetrico ed e` quello utilizzato nell’esperimento CUORE. Esiste anche l’approccio diverso in cui il materiale emettitore e` contenuto in fogli sottili che vengono affacciati a rivelatori traccianti in grado di rivelare gli elettroni emessi. Sono fenomeni estremamente comuni che avvengono quando un nucleo atomico e` instabile e decade. In un normale mattone da un chilo avvengono circa 1200 decadimenti al secondo!
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IL RICERCATORE ROMANO
L’esperimento CUORE L’esperimento CUORE sar`a costituito da 988 cristalli di ossido di tellurio sistemati in 19 torri di 13 piani, ciascuno contenente quattro rivelatori tenuti insieme da cornici di rame ultrapuro (cfr. il riquadro in basso a destra della Figura 1). L’intero sistema di torri e` contenuto all’interno di un refrigeratore a diluizione, una specie di enorme frigorifero capace di raffreddare l’apparato a una temperatura di ∼ 10 mK, ovvero di soli 10 millesimi di grado sopra lo zero assoluto (cfr. Figura 1). I cristalli di ossido di tellurio, ognuno delle dimensioni di 5 × 5 × 5 cm3 , contengono al loro interno un isotopo naturale del tellurio, il Te130, che e` uno dei nuclei emettitori doppio beta, con un Q-valore dell’ordine di 2530 keV. La massa totale del sistema di rivelatori sar`a dell’ordine di 740 kg, di cui 204 kg di Te130. I cristalli funzionano come bolometri, ovvero rivelatori di particelle che sfruttano come meccanismo di rivelazione l’innalzamento di calore prodotto da una particella carica che attraversa un materiale assorbitore. Uno speciale sensore di calore detto termistore, fatto di germanio e incollato alla superficie del cristallo, trasforma il segnale di calore in un segnale elettrico rilevabile. L’innalzamento di calore dovuto al passaggio di una particella carica e` molto piccolo, dell’ordine di 200 µK per MeV di energia rilasciata dalla particella, ma se la capacit`a termica del materiale assorbitore e` sufficientemente piccola, se la temperatura del bolometro e` sufficientemente bassa e se il sensore che rivela la temperatura e` sufficientemente sensibile e` possibile raccogliere, amplificare e rivelare il segnale con ottima efficienza. I rivelatori bolometrici basati sull’ossido di tellurio sono usati con successo da decenni per la ricerca del decadimento doppio beta del Te130 e la loro affidabilit`a e` tale che l’esperimento CUORE, prosecuzione naturale degli esperimenti passati, e` stato approvato ed e` attualmente in costruzione presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN),
scavati accanto a una delle gallerie autostradali che attraversano la montagna del Gran Sasso, in Abruzzo. Questi luoghi costituiscono un ambiente ideale per la ricerca di eventi rari come il decadimento doppio beta. La roccia della montagna (uno spessore equivalente a pi`u di 3500 m di acqua) assorbe le particelle di origine cosmica creando la condizione di silenzio cosmico e riducendo drasticamente il contributo al fondo dovuto all’ambiente esterno. Oltre allo schermo della montagna, CUORE e` dotato di una ulteriore schermatura, necessaria per limitare al massimo il fondo dovuto alla radioattivit`a ambientale residua presente all’interno del laboratorio. Questo schermo e` composto nello strato pi`u esterno da polietilene borato, che modera e assorbe efficacemente i neutroni, e successivamente da piombo, posizionato sia all’esterno che all’interno del refrigeratore. In particolare il piombo posizionato pi`u vicino ai rivelatori, all’interno del refrigeratore a diluizione, e` stato donato all’esperimento CUORE dalla Sopraintendenza Archeologica di Cagliari: proviene infatti dalla stiva di una nave romana affondata nelle vicinanze della costa sarda che l’INFN ha contribuito a recuperare (cfr. il riquadro in alto a destra della Figura 1). Il piombo infatti rappresenta un materiale ideale per la schermatura della radioattivit`a, per la sua densit`a e il numero atomico elevato, per`o presenta un grave problema: la presenza di un isotopo radioattivo naturale, il Pb210, che contribuisce al fondo naturale. Fortunatamente il Pb210 si dimezza ogni 22 anni circa, quindi in lingotti di piombo che riposano da secoli in fondo al mare si pu`o considerare praticamente scomparso. Attualmente l’esperimento CUORE e` in fase di allestimento e la sua partenza e` prevista per il 2014.
Bibliografia Sito dell’esperimento CUORE: http://crio.mib.infn. it/wigmi/pages/cuore.php [8] Bilenky S. Introduction to the Physics of Massive and Mixed Neutrinos, vol. 817. Springer Verlag (2010) [9] Barabash A. 75 years of double beta decay: yesterday, today and tomorrow URL http://arxiv.org/abs/1101.4502 [10] Fiorini E. Neutrino physics with cryogenic detectors. In Progress in Particle and Nuclear Physics, vol. 64(2) (2010)
Sull’autore
Figura 1 – Schema della struttura di CUORE, con in evidenza tutti gli accorgimenti per ridurre al minimo il rumore ambientale.
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Claudia Tomei (claudia.tomei@roma1.infn.it) e` ricercatrice presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma. Ha lavorato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (dottorato e post-doc), collaborando a due diversi esperimenti per la rivelazione del decadimento doppio beta. Dal 2007 e` membro della collaborazione CUORE.
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Borexino Studiare il Sole. . . sotto terra! Margherita Buizza Avanzini (Universit`a degli Studi di Milano – Laboratorio APC di Parigi – Laboratori del Gran Sasso)
ilano, Universit`a degli Studi, Dipartimento di Fisica. Maggio 2005. In aula una ventina di studenti aspettano di cominciare il terzo modulo del corso di Introduzione all’Astrofisica. Oggi si comincia un argomento nuovo: “Neutrini, i messaggeri dallo spazio”. Entra il prof. Pizzochero: di quest’uomo colpiscono subito l’energia, la passione con cui carica le parole, le spiegazioni. Pendo dalle sue labbra. Tutto quello che dice e` meraviglioso, affascinante, mi incuriosisce tremendamente. Ascolto avida ogni sillaba, scrivo paginate di appunti, mi entusiasmo per ogni cosa nuova che sento. Fine della lezione. Esco dall’aula un po’ stordita. Non ho perso una parola, non ho saltato un passaggio. La stessa scena si ripete per altre quattro lezioni e alla fine del ciclo sui neutrini sono palesemente innamorata. Ma non del professore (forse. . . ), bens`ı di quello che mi ha fatto scoprire.
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Il neutrini solari Le caratteristiche salienti dei neutrini sono fondamentalmente tre: massa piccolissima (milionesimi di quella dell’elettrone), nessuna carica elettrica e pochissima capacit`a di interazione con la materia. Ci`o rende i neutrini delle particelle alquanto singolari, misteriose e quasi invisibili. Chiariamoci, ovviamente l’occhio umano non pu`o letteralmente vedere le particelle elementari: non si vedono nemmeno al microscopio. Per`o esiste quasi sempre un modo di osservare indirettamente queste particelle, studiando ci`o che esse producono quando interagiscono con la materia. Nel caso dei neutrini anche questo e` difficile1 . Ma andiamo con ordine. Perch´e neutrini solari? I neutrini vengono prodotti in diversi tipi di reazioni, tra cui anche quelle di fusione nucleare che avvengono nel Sole. E` grazie a queste reazioni che il Sole brucia l’idrogeno (H) di cui e` per lo pi`u costituito e lo trasforma in elio (He). Questi processi producono energia e per questo il Sole ci scalda. La trasformazione di H in He non e` diretta, ma avviene attraverso una serie di reazioni intermedie, durante le quali vengono prodotti i neutrini solari. A seconda della reazione che li ha prodotti, i neutrini prendono nomi diversi. Per esempio, ci sono i neutrini da Berillio (7 Be), da Boro (8 B), 1
In un certo senso dovremmo dire per fortuna visto che siamo perennemente bersagliati da miliardi di neutrini che vengono dal Sole! Il loro flusso e` infatti di circa 1011 cm−2 s−1 , il che significa che quando vi sdraiate siete trapassati da circa 5 × 1015 neutrini al secondo! E questo anche se vi nascondete in cantina, in una grotta o al centro della Terra!
dalla reazione protone+elettrone+protone (pep) e cos`ı via. Tenete presente che i neutrini prodotti dal Sole sono solo di tipo elettronico2 .
Il Modello Solare Standard Il Sole e` la stella pi`u vicina alla Terra ed e` quindi quella che conosciamo meglio. Basandosi su misure di massa, luminosit`a, temperatura, raggio, ecc. e` possibile capire da cosa precisamente e` costituito il Sole, prevedere con modelli teorici come evolver`a e stimare quanti e quali neutrini (da 7 Be, da 8 B, ecc.) vengono prodotti e con quale energia. Dagli anni Sessanta il modello solare pi`u gettonato e` il Modello Solare Standard (SSM). In Figura 1 potete vedere le previsioni per il flusso in funzione dell’energia dei vari tipi di neutrini. Soffermatevi a considerare le due righe verticali (significa che sono monoenergetici) dei neutrini da 7 Be e pep e la curva (non sono monoenergetici) dei neutrini da 8 B. Una volta verificata la possibilit`a di rivelare i neutrini solari [11], si e` naturalmente pensato di usarli per verificare la correttezza del SSM, con molti vantaggi rispetto al solo uso dei fotoni. Avendo massa piccolissima e interagendo poco con la materia, in circa otto minuti i neutrini che sono prodotti al centro del Sole arrivano a noi. Forse la cosa non vi sembra cos`ı entusiasmante, ma lo diventa certamente se pensate che la luce, prodotta anch’essa al centro del Sole, impiega 10 mila anni per raggiungerne la superficie! Bench´e i neutrini interagiscano molto poco con la materia, l’unico modo per vederli e` comunque cercarne le interazioni con le altre particelle. In primo luogo bisogna avere rivelatori di grande massa, in modo da aumentare la probabilit`a di interazione. In secondo luogo bisogna proteggersi dai raggi cosmici che vengono dall’atmosfera, per evitare falsi segnali: l’unico modo e` andare sotto terra, dove il flusso dei raggi cosmici e` fortemente abbattuto. E infine bisogna proteggersi dalla radioattivit`a naturale, utilizzando per la costruzione del rivelatore materiali estremamente puliti. Questa e` la ricetta per un buon rivelatore di neutrini. Proprio seguendo le indicazioni appena descritte, venne costruito un rivelatore di neutrini elettronici nella miniera di Homestake, in South Dakota, gi`a nel 1965. Il risultato di quella misura caus`o un certo stupore: il flusso di neutrini misurato era circa un 2
Questo e` abbastanza intuitivo se pensate che l’elettrone fa parte della materia ordinaria, quella che ci circonda quotidianamente. Considerando che l’e− fa coppia con il νe e` facile capire che in reazioni in cui e` coinvolta la materia ordinaria (come H o He) vengano prodotti νe e non neutrini di altri sapori.
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SSM, ma il numero di νe da 8 B rivelati a Terra e` circa un terzo del totale. Ci`o significa che circa il 60% dei νe prodotti nel Sole sono oscillati in un altro sapore.
L’esperimento Borexino
Figura 1 – Previsioni per il flusso in funzione dell’energia dei vari tipi di neutrini solari in base al Modello Solare Standard. Da [12].
terzo di quello atteso in base al SSM! Subito ci si preoccup`o di verificare che non ci fossero inefficienze di rivelazione. Scartata, insieme a questa ipotesi, anche la possibilit`a che il SSM fosse ampiamente sbagliato3 , non restava che rivedere la teoria del neutrino. Ed e` qui che questa particella pass`o dall’essere oggetto-sonda dell’interno del Sole a oggetto di studio vero e proprio.
Le oscillazioni di neutrino Il fisico italiano Bruno Pontecorvo aveva gi`a ipotizzato nel ’57 che i neutrini non avessero massa nulla e cos`ı elaborato una teoria in base alla quale e` possibile che i neutrini cambino sapore mentre si propagano. Ci`o significa che i neutrini nati come νe nel Sole possono trasformarsi durante il viaggio verso la Terra in νµ o ντ . Si parla di oscillazioni di neutrino perch´e e` come se i neutrini oscillassero l’uno nell’altro4 . Vennero quindi progettati altri esperimenti per la misura del flusso dei neutrini solari con la possibilit`a di rivelare i neutrini in tempo reale, il che significa misurare l’energia e la posizione di ogni interazione di neutrino, cosa impossibile a Homestake. L’esperimento che segn`o la svolta fu il Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Canada: grazie all’osservazione di diverse interazioni, SNO era in grado di rivelare tutti i tipi di neutrino e di distinguere, tra essi, i νe . Nel 2001 SNO diede conferma di quanto ipotizzato [13]: il flusso totale (νe +νµ +ντ ) corrisponde a quello effettivamente predetto dal 3
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Le previsioni del SSM erano perfettamente in accordo con le misure della eliosismologia, una disciplina che studia la propagazione delle onde sonore nel Sole. Ci`o significa che il νe diventato νµ pu`o ridiventare νe successivamente.
L’esperimento Borexino nasce con lo scopo di rivelare per la prima volta in tempo reale i neutrini del 7 Be, impresa non da poco se si pensa che hanno energia di 0, 86 MeV e che gli altri esperimenti in tempo reale hanno normalmente, per cause di forza maggiore, una soglia energetica intorno ai 5 MeV (cfr. Figura 1). Chiaramente anche Borexino e` schermato da metri di roccia (per la precisione da 3, 8 km di acqua equivalente) sotto la montagna del Gran Sasso, in centro Italia: i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, infatti, sono i pi`u grandi laboratori sotterranei attualmente esistenti e ospitano vari esperimenti sui neutrini, sulla materia oscura e sull’astrofisica nucleare. Ma la vera forza di Borexino sta nell’accuratezza della scelta dei materiali per costruire il rivelatore e soprattutto nella loro successiva purificazione. Sono state impiegate numerosissime tecniche innovative per pulire i materiali (si parla di radiopurezza) in modo da eliminare il maggior numero di contaminanti presenti5 . Il rivelatore e` anche costruito in modo da fungere da ulteriore schermo contro la radiazione della roccia o i raggi cosmici che sopravvivono sottoterra. Come vedete in Figura 2, Borexino ha una struttura che possiamo dire a cipolla per proteggere il cuore del rivelatore, creando un ambiente pulito in cui le interazioni di neutrino di bassa energia possano essere rivelate. Grazie a questo enorme sforzo per la purificazione, la soglia energetica di Borexino e` di circa 0, 25 MeV, ovvero circa un ventesimo di quella standard per gli altri esperimenti in tempo reale! Procedendo dall’esterno della struttura, troviamo una tanica d’acqua ultra pura che contiene una sfera di acciaio inossidabile dentro cui si trova un liquido detto buffer. Scopo di acqua e buffer e` fermare le particelle di fondo (ovvero non neutrini) che minacciano di entrare nel vessel. Il vessel e` ci`o che contiene la parte sensibile del rivelatore, lo scintillatore liquido. Come dice il nome stesso, questo materiale, costituito da idrocarburi (una sorta di petrolio, per intenderci), scintilla. Quando un neutrino urta un elettrone degli atomi dello scintillatore, viene prodotta energia (come in un qualunque tipo di urto). Nei materiali scintillanti l’energia viene trasformata in luce che viene rivelata dai cosiddetti fotomoltiplicatori (attaccati alla sfera di acciaio), capaci di trasformare la luce in un segnale elettrico. E` questo segnale che contiene l’informazione sull’evento, cio`e posizione in cui e` avvenuta 5
Per darvi un’idea, in un litro d’acqua normale avvengono 1, 2 × 10−3 decadimenti al secondo; in un litro dell’acqua purificata per Borexino, 1, 2 × 10−7 , ovvero l’acqua di Borexino e` diecimila volte pi`u pulita di quella che beviamo quotidianamente!
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Figura 2 – Rappresentazione grafica del rivelatore Borexino, situato nella Hall C dei LNGS. Da www.lngs.infn.it.
l’interazione ed energia rilasciata, questa direttamente connessa all’energia del neutrino incidente. Borexino ha cominciato a prendere dati nel Maggio 2007 e gi`a nell’Agosto di quell’anno abbiamo pubblicato i primi risultati sui neutrini da 7 Be. Nel corso degli anni questa misura e` diventata via via pi`u precisa, fino alla recentissima sottomissione dell’articolo [14] nel maggio scorso. Con Borexino siamo anche riusciti (e di ci`o vado particolarmente orgogliosa, dato che ci ho lavorato personalmente) a misurare il flusso dei neutrini da 8 B con la soglia pi`u bassa mai raggiunta da esperimenti in tempo reale: una soglia a 3 MeV [15]. Abbassare la soglia di rivelazione dei ν da 8 B significa avvicinarsi a una zona ancora inesplorata delle oscillazioni dei neutrini solari, quella delle energie intermedie. Risulta chiaro che questa regione rimane tuttora un po’ misteriosa. Ma stiamo gi`a lavorando per questo: attualmente in Borexino stiamo cercando di abbassare la soglia di rivelazione dei ν da 8 B a 2 MeV (mi ci sono dedicata per tutto il dottorato) e di rivelare i neutrini da pep, che come ricorderete dalla Figura 1, la cui energia sta esattamente nella regione inesplorata. Insomma prossimamente su questi schermi!
Bibliografia Sito ufficiale dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso: www. lngs.infn.it
[12] Bahcall J.N. e Pinsonneault M.H. What do we (not) know theoretically about solar neutrino fluxes? In Phys.Rev.Lett., vol. 92:121301 (2004). URL http://arxiv.org/abs/ astro-ph/0402114 [11] Cowan C. et al. Detection of the Free Neutrino: a Confirmation. In Science, vol. 124(3212):103–104 (1956) [16] Davis Jr R. et al. Search for neutrinos from the sun. In Physical Review Letters, vol. 20(21):1205–1209 (1968) [17] Mikheev S. e Smirnov A. Neutrino oscillations in a medium with variable density. In Soviet Physics Uspekhi, vol. 29 (1986) [18] Wolfenstein L. Neutrino oscillations in matter. In Physical Review D, vol. 17(9):2369 (1978) [13] Ahmad Q. et al. Measurement of the Rate of νe +d→p+p+e− Interactions Produced by 8 B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory. In Physical Review Letters, vol. 87(7) (2001) [14] Bellini G. et al. Precision measurement of the 7 Be solar neutrino interaction rate in Borexino. In arXiv (apr. 2011). URL http://arxiv.org/abs/1104.1816 [15] Bellini G. et al. Measurement of the solar 8 B neutrino rate with a liquid scintillator target and 3 MeV energy threshold in the Borexino detector. In Physical Review D, vol. 82(3) (2010) [19] Serenelli A. New Results on Standard Solar Models. In arXiv (ott. 2009). URL http://arxiv.org/abs/0910. 3690v1 [20] Holanda P. e Smirnov A. LMA MSW solution of the solar neutrino problem and first KamLAND results. In Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2003)
Sull’autore La passione di Margherita (margherita.buizza@mi. infn.it) per i neutrini e` iniziata nel 2005 ed e` proseguita fino a oggi attraverso diverse tappe: tesi di Laurea Triennale (ottobre 2005) sulla teoria delle oscillazioni dei neutrini solari, tesi di Laurea Magistrale sulla misura dei neutrini solari da 8 B in Borexino con soglia a 3 MeV (luglio 2008) e Dottorato di Ricerca in Borexino e Double Chooz (un esperimento sui neutrini da reattore nucleare) da terminare nel 2012.
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Un tuffo nel cosmo Tra galassie, particelle e pesci luminosi, l’emozionante sfida di ANTARES alla ricerca dei neutrini astrofisici Giulia De Bonis (Dipartimento di Fisica dell’Universit`a Sapienza di Roma)
... like the moon, whose orb through optic glass the Tuscan artist views at ev’ning, from the top of Fesole, or in Valdarno, to descry new Lands, Rivers or Mountains in her spotty Globe. (John Milton, Paradise lost, 1667)
olta strada e` stata percorsa da quando il celebre scienziato pisano Galileo Galilei ha avvicinato i suoi occhi al telescopio, puntando lo strumento al cielo stellato e ottenendo per la prima volta una visione ingrandita della Luna, di Giove e dei suoi satelliti. Da allora l’immagine tradizionale dell’astronomo e` stata sostituita da figure professionali pi`u articolate, gli strumenti di osservazione sono diventati multiformi e complessi e l’oggetto di indagine si e` spinto ben oltre il Sistema Solare e la scia luminosa della Via Lattea, fino alla scala del mega-parsec1 .
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Ma non e` tutto: si pu`o fare astronomia anche senza fotoni, cio`e senza radiazione elettromagnetica. Altre particelle possono essere incluse, infatti, nella lista delle possibili sonde in grado di trasportare informazione dalle regioni pi`u remote dell’Universo, seguendo l’approccio multi-messenger (multi-messaggero) della ricerca astronomica. Tra questi nuovi messaggeri dal Cosmo, un posto d’onore spetta ai neutrini: privi di carica elettrica e debolmente interagenti con la materia, si propagano nell’Universo senza essere deviati da campi magnetici e senza essere assorbiti, a differenza di quello che accade a protoni, nuclei e fotoni (cfr. Figura 1). Viaggiando quasi del tutto indisturbati per distanze cosmologiche, i neutrini conservano l’informazione sulla direzione di provenienza (puntamento), estendendo l’orizzonte di osservabilit`a degli eventi e rendendo accessibili regioni dell’Universo dense e compatte, opache alla radiazione elettromagnetica. La neutrino-astronomia, pertanto, offre non solo complementariet`a alle osservazioni dell’astronomia tradizionale, ma permette anche di aprire nuove possibilit`a di indagine, introducendo connessioni con l’astrofisica, la cosmologia e la fisica delle particelle.
La sfida dei neutrini astrofisici
Figura 1 – Un acceleratore cosmico emette fotoni, neutrini e nuclei, ma solo i neutrini possono attraversare distanze cosmologiche senza essere assorbiti o deflessi. I neutrini permettono anche di indagare la natura di oggetti densi e compatti, opachi alla radiazione elettromagnetica.
La parola chiave della moderna astronomia e` multi-wavelength, lunghezze d’onda multiple: le osservazioni astronomiche sono eseguite su tutto lo spettro elettromagnetico, dalle radio frequenze ai raggi gamma, utilizzando sia apparati posti sulla superficie terrestre che strumenti a bordo di satelliti e stazioni spaziali. Combinando diverse tecniche sperimentali si colleziona cos`ı una grande variet`a di dati per ricostruire un’immagine completa e dettagliata dell’oggetto di studio. 1
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Il parsec (pc), pari a circa 3, 1 × 1016 m, e` un’unit`a di misura di distanza basata su tecniche trigonometriche, utilizzata per definire la distanza tra la Terra e le stelle su scala galattica. Il mega-parsec (Mpc, un milione di parsec) e` invece la scala comunemente usata per le distanze extragalattiche.
I neutrini sono le particelle pi`u deboli del Modello Standard e la loro probabilit`a di interazione con la materia e` piccolissima; come se non bastasse, le previsioni teoriche suggeriscono un flusso di neutrini astrofisici molto ridotto, che si traduce in un numero estremamente piccolo di eventi osservabili a terra. Per la rivelazione dei neutrini astrofisici di alta energia e` richiesto quindi un volume di rivelazione dell’ordine di 1 km3 , realizzabile solo sfruttando risorse naturalmente disponibili, quali l’acqua degli oceani o il ghiaccio delle calotte polari. Nessun laboratorio tradizionale, infatti, potrebbe contenere la massa necessaria a costituire un bersaglio per la raccolta di un numero sufficiente di interazioni. La principale tecnica di rivelazione adottata nei telescopi per neutrini astrofisici sfrutta il fenomeno noto come effetto Cherenkov dal nome del suo scopritore, il fisico russo P.A. Cherenkov (19041990), vincitore del premio Nobel per la Fisica nel 1958. Il fenomeno consiste nella formazione di un’onda coerente di radiazione elettromagnetica (luce Cherenkov) in conseguenza del passaggio di una particella carica ultra-relativistica in un mezzo trasparente, come l’acqua o il ghiaccio. In queste condizioni la particella si muove pi`u velocemente della luce nel mezzo, causando la formazione di un cono di luce, in analogia con il fenomeno dell’onda d’urto acustica nel caso di moto supersonico. L’angolo di emis-
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sopra l’apparato funge da schermo, riducendo gli eventi di fondo. Il campione di tracce up-going contiene sia neutrini atmosferici che neutrini astrofisici; la distinzione tra fondo atmosferico e segnale astrofisico richiede, in questo caso, un’analisi statistica approfondita, che include la stima dell’energia dell’evento e la ricostruzione della posizione della sorgente. La rivelazione dei neutrini astrofisici costituisce quindi una sfida affascinante, sia dal punto di vista della ricerca tecnologica, sia per quanto riguarda lo sviluppo degli algoritmi di analisi dei dati.
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ANTARES, un rivelatore in azione Figura 2 – Schema di emissione di radiazione Cherenkov: la traiettoria della particella e` indicata con una freccia rossa, quella della luce Cherenkov con le frecce blu. Da Wikipedia.
sione della radiazione dipende dall’indice di rifrazione del mezzo n (cfr. Figura 2) e il fatto che la geometria di emissione sia definita una volta che siano note le propriet`a del mezzo permette di ricostruire le tracce delle particelle dalla distribuzione nello spazio della luce Cherenkov emessa. Nei telescopi sottomarini, la luce Cherenkov e` raccolta per mezzo di dispositivi chiamati fotomoltiplicatori (cfr. Figure 3 e 4). Dal momento che la capacit`a di puntamento del telescopio dipende dalla corretta ricostruzione delle tracce, e quindi dalla precisa mappatura della distribuzione della luce emessa, per ottenere una buona risoluzione angolare e` essenziale la calibrazione, in tempo e in carica, dei sensori e la conoscenza della posizione di ciascun fotomoltiplicatore. Nel caso di un telescopio sottomarino, in cui gli elementi che costituiscono l’apparato sono s`ı ancorati al fondo del mare, ma hanno una struttura semi-rigida e quindi oscillano per effetto delle correnti sottomarine, questo significa un costante monitoraggio, con tecniche di triangolazione acustica, della geometria del rivelatore. Le interazioni di neutrini producono proprio particelle cariche ultra-relativistiche, che si propagano in acqua con emissione di luce Cherenkov. Gli algoritmi di selezione e ricostruzione di eventi devono tenere conto della separazione del segnale dal fondo: come l’apparato sperimentale e` immerso nelle acque del mare, cos`ı il debole segnale atteso e` affogato nel rumore, dovuto sia a cause ambientali, sia alla presenza di tracce non associabili con eventi di segnale. Il fondo luminoso ambientale e` costituito dalla radioattivit`a naturale e da fenomeni di bioluminescenza. Per quanto riguarda la selezione dei neutrini astrofisici, il segnale e` da ricercare tra gli eventi ricostruiti come up-going, cio`e provenienti dal basso; il fondo e` costituito da neutrini e muoni atmosferici, prodotti nelle interazioni dei raggi cosmici primari con l’atmosfera. I muoni atmosferici provengono dall’alto (down-going) e possono essere scartati selezionando le sole tracce up-going; la massa d’acqua
La sfida lanciata dai neutrini astrofisici e` stata raccolta con successo dall’esperimento ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss Environmental RESearch), il primo telescopio per neutrini operativo nel Mar Mediterraneo. L’esperimento e` realizzato da una collaborazione internazionale che include Italia, Francia, Spagna, Germania, Marocco, Romania, Paesi Bassi e Russia. Il rivelatore e` posizionato a circa 40 km a largo di La Seyne sur Mer (Francia), a 2500 m di profondit`a. E` costituito da 12 linee, ciascuna composta di 25 piani con 3 fotomoltiplicatori per piano; le linee distano l’una dall’altra ∼ 70 m e sono disposte secondo una geometria ottagonale, con un’area di ∼ 0, 1 km2 e sensibilit`a per neutrini con energia nell’intervallo 1012 ÷ 1016 eV (cfr. Figura 3). Posizionato nell’emisfero Nord, ANTARES offre una buona visibilit`a del Centro Galattico e del Piano Galattico. Con una risoluzione angolare di ∼ 0, 3◦ per neutrini con energia maggiore di 1 TeV, inoltre, il telescopio offre ottime potenzialit`a per l’astronomia. L’esperimento e` stato completato nel giugno 2008 ed e` in presa dati, l’analisi dei dati e` in corso. Tra i risultati pi`u significativi dell’esperimento citiamo l’aver posto limiti competitivi al flusso di eventi da sorgenti puntiformi e al flusso di neutrini diffusi.
Figura 3 – Tecnica Cherenkov per la rivelazione di tracce di muoni in telescopi sottomarini. I muoni sono prodotti nelle interazioni dei neutrini, mentre la luce Cherenkov (cono blu) e` raccolta per mezzo di un reticolo tridimensionale di fotomoltiplicatori. A destra e` visibile una traccia ricostruita come proveniente dal basso e quindi interpretabile come evento di segnale. In evidenza i fotomoltiplicatori colpiti dall’emissione di luce Cherenkov. Da antares.in2p3.fr.
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Un telescopio al cubo ANTARES costituisce il primo passo della neutrino-astronomia nel Mediterraneo. Il futuro, cio`e la prossima generazione di telescopi, e` rappresentato da apparati il cui volume sia dell’ordine di 1 km3 , in modo da estendere la capacit`a di rivelazione ai neutrini di alta energia. L’obiettivo e` realizzare nell’emisfero Nord un osservatorio complementare a IceCube, un esperimento in presa dati nei ghiacci dell’Antartide, in modo che le osservazioni dei due telescopi offrano una completa visione del cielo (cfr. Figura 5). Procedere da ANTARES verso il km3 implica la ricerca di nuove soluzioni meccaniche ed elettroniche, oltre che l’individuazione di un sito sottomarino ottimale per l’installazione, caratterizzato da stabilit`a delle propriet`a geologiche, oceanografiche e fisiche. Le soluzioni esaminate devono tener conto del compromesso tra i vantaggi, in termini di efficienza di rivelazione, e le effettive difficolt`a di implementazione derivanti dall’operare sott’acqua su larga scala. Nell’ambito di questi studi, a fianco ad ANTARES sono attive le collaborazioni NEMO (NEutrino Mediterranean Observatory) e NESTOR (Neutrino Extended Telescope with Oceanographic Research). I tre esperimenti costituiscono il Consorzio Europeo KM3NeT, con lo scopo di unificare le diverse proposte, traendo profitto dai risultati ottenuti con i diversi esperimenti prototipo, e di coordinare le attivit`a in vista di un unico grande apparato nel Mediterraneo.
Bibliografia Sito della collaborazione ANTARES: antares.in2p3.fr Sito della collaborazione NEMO: nemoweb.lns.infn.it Sito della collaborazione NESTOR: www.nestor.noa.gr Sito del consorzio europeo KM3NeT: www.km3net.org
Figura 5 – Confronto tra la visibilit`a dell’esperimento IceCube, posizionato al Polo Sud, e quella del futuro telescopio KM3NeT, collocato nell’emisfero settentrionale, considerando una copertura per i soli eventi up-going. E` in evidenza la perfetta complementarit`a tra i due esperimenti: il telescopio nel Mediterraneo offrir`a una buona visibilit`a del Centro Galattico e delle principali sorgenti galattiche (in rosso, mentre in nero sono indicate le sorgenti extra-galattiche). Da www.km3net.org.
Sito dell’esperimento IceCube: www.icecube.wisc.edu [21] Gaisser T. et al. Particle astrophysics with high energy neutrinos. In Physics Reports, vol. 258(3):173–236 (1995) [22] Learned J. e Mannheim K. High-energy neutrino astrophysics. In Annual Review of Nuclear and Particle Science, vol. 50(1):679–749 (2000) [23] Semikoz D. e Sigl G. Ultra-high energy neutrino fluxes: New constraints and implications. In Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, vol. 2004:003 (2004) [24] Chiarusi T. e Spurio M. High-energy astrophysics with neutrino telescopes. In The European Physical Journal C, vol. 65(3):649–701 (2010). URL arxiv.org/abs/0906. 2634 [25] ANTARES Collaboration. ANTARES: the first undersea neutrino telescope URL arxiv.org/abs/1104.1607 [26] ANTARES Collaboration. Search for a diffuse flux of highenergy νµ with the ANTARES neutrino telescope. In Physics Letters B, vol. 696(1-2):16–22 (2011). URL arxiv.org/abs/ 1011.3772 [27] ANTARES Collaboration. First Search for Point Sources of High Energy Cosmic Neutrinos with the ANTARES Neutrino Telescope URL arxiv.org/abs/1108.0292
Sull’autore
Figura 4 – Nell’immagine principale, rappresentazione schematica dell’esperimento ANTARES (autore: Franc¸ois Montanet). In basso a destra, dettaglio di un piano di rivelazione, costituito da una tripletta di fotomoltiplicatori (in alto), orientati in modo da rivolgere verso il basso la superficie fotosensibile. Immagini da antares.in2p3.fr.
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Giulia De Bonis (http://www.roma1.infn.it/ people/debonis/) ha conseguito laurea e dottorato in Fisica presso l’Universit`a Sapienza di Roma e al momento e` assegnista di ricerca presso il Dipartimento di Fisica della stessa Universit`a, occupandosi dell’analisi dei dati dell’esperimento ANTARES. I suoi interessi di ricerca includono la neutrino-astronomia e la rivelazione di neutrini astrofisici in ambiente sottomarino.
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I messaggeri dell’Universo Prime analisi congiunte tra onde gravitazionali e neutrini di alta energia Irene Di Palma (Max Planck Institut f¨ur Gravitationsphysik, Hannover)
astronomia multi-messaggero, utilizzando differenti tipi di sonde come fotoni, protoni, neutrini, onde gravitazionali1 , sta aprendo nuove frontiere per l’osservazione delle sorgenti astrofisiche pi`u lontane e dei pi`u violenti fenomeni osservati nel nostro Universo. Soprattutto neutrini e onde gravitazionali sono complementari ai fotoni perch´e in grado di attraversare mezzi molto densi senza essere assorbiti o deviati su distanze cosmologiche, trasportando informazioni dalle regioni pi`u recondite del cosmo. Questo inedito angolo di osservazione pu`o permettere di scoprire nuove sorgenti galattiche ed extragalattiche fino a ora invisibili all’astronomia convenzionale e raccogliere informazioni preziosissime riguardanti i loro processi interni. Per far ci`o e` cruciale richiedere consistenza nella rivelazione di onde gravitazionali e neutrini: un telescopio per neutrini come ANTARES e` in grado di fornire in maniera accurata la direzione e il tempo associati agli eventi di neutrini di alte energie, mentre una rete di interferometri come LIGO e Virgo pu`o determinare l’informazione temporale e di posizione per i segnali impulsivi di onde gravitazionali. La sfida sta nel combinare le conoscenze di rivelatori cos`ı diversi.
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sono quelli che hanno una durata inferiore ai due secondi, mentre quella dei long GRB si estende per pi`u di due secondi. Si pensa che gli short GRB siano originati dalla coalescenza di binarie di buchi neri e/o stelle di neutroni e che possano emettere onde gravitazionali rivelabili da grandi distanze oltre a un significativo flusso di neutrini di alta energia. Anche il caso dei long GRB e` compatibile con l’emissione di onde gravitazionali durante il collasso della stella progenitrice in rapida rotazione, evento a cui pu`o essere associata l’espulsione di un getto di neutrini.
Rivelatori L’analisi congiunta che prevede l’utilizzo di onde gravitazionali e neutrini e` la sfida pi`u recente per la nuova generazione di ri-
Sorgenti astrofisiche Le potenziali sorgenti di onde gravitazionali e neutrini di alta energia (E> 1 TeV) devono avere un’intensa attivit`a impulsiva oltre che essere estremamente energetiche. Per queste ragioni i plausibili meccanismi di emissione includono due classi di sorgenti che potrebbero essere accessibili per l’attuale generazione di interferometri per onde gravitazionali e di telescopi per neutrini. La prima classe e` quella dei Microquasar, che si ritiene siano sistemi stellari binari in cui un oggetto compatto accresce la propria massa catturando il materiale espulso dalla stella compagna, riemettendolo sotto forma di getti relativistici associati a intensi flash. Questi oggetti possono generare onde gravitazionali sia durante la fase di accrescimento che quella di espulsione, mentre i neutrini di alta energia sarebbero emessi durante l’espulsione dei getti. I Gamma-Ray Bursts (GRB) sono l’altra promettente classe di sorgenti da cui ci si aspetta un flusso di neutrini di energia compresa tra 105 e 1010 GeV. Si tratta di intensi flash di fotoni associati a esplosioni estremamente energetiche osservate in galassie distanti e si dividono in due sottogruppi: gli short GRB 1
Increspature dello spazio-tempo che si propagano come un’onda. Sono state predette da Einstein nel 1916 e sono diretta conseguenza della sua Teoria della Relativit`a Generale.
Figura 1 – Formazione di short e long Gamma-Ray Bursts a partire dalle loro pi`u probabili sorgenti astronomiche. Da 3dastronomer.com.
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IL RICERCATORE ROMANO
velatori. ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch) e` il pi`u grande telescopio sottomarino per neutrini dell’emisfero boreale ed e` operativo al pieno delle sue potenzialit`a dal Giugno 2008. Si trova a una profondit`a di circa 2500 metri nel Mar Mediterraneo, di fronte alle coste di Tolone. La configurazione prevede 12 linee o stringhe, su ognuna delle quali sono montate 25 triplette di moduli ottici distribuiti regolarmente lungo 350 metri. La prima linea e` posizionata a una distanza di 100 metri dal fondale marino. L’idea e` usare la Terra come uno scudo contro tutte le particelle eccetto i neutrini, che interagiscono pochissimo con la materia ordinaria. I rivelatori di onde gravitazionali Virgo e LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) sono invece interferometri costituiti da due bracci orientati a circa 90◦ l’uno dall’altro. LIGO, il cui schema e` riprodotto qui accanto, utilizza tre di questi rivelatori collocati in due siti differenti: un osservatorio e` a Hanford, vicino Washington, e ospita due interferometri co-locati, uno con bracci di 4 km chiamato H1 e l’altro con una lunghezza di 2 km chiamato H2. Il secondo osservatorio si trova a Livingston, in Lousiana, dove c’`e l’interferometro L1 con bracci di 4 km. Virgo e` invece il rivelatore dell’Osservatorio Europeo di Onde Gravitazionali, ubicato a Cascina, vicino Pisa, con bracci della lunghezza di 3 km. Grazie all’interferometria laser si misura il tempo che la luce impiega per rimbalzare avanti e indietro tra gli specchi presenti nei bracci prima di giungere sul rivelatore di luce chiamato fotodiodo. Data l’identica estensione dei bracci non si dovrebbe registrare nessuna differenza nei tempi di percorrenza della luce, a meno che non si sia verificato il passaggio di un’onda gravitazionale che, distorcendo il locale tessuto spazio-temporale, modifica in maniera diversa la lunghezza dei due bracci. La misura di tale spostamento infinitesimale degli specchi e` proporzionale all’ampiezza dell’onda gravitazionale che lo ha prodotto. La presenza di molteplici rivelatori in diverse posizioni geografiche e` cruciale per eliminare problemi strumentali e anomalie nei dati quando si vuole condurre un’analisi in coincidenza (cfr. Figura 2). massa di test
massa di test
fasc
massa di test
massa di test
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beam splitter
sorgente laser
Figura 2 – Posizione dei diversi rivelatori coinvolti nell’analisi.
photo detector
i dati degli eventi associati alle onde gravitazionali in una finestra temporale dell’ordine di circa mille secondi intorno al tempo del neutrino e nella stessa posizione in cielo. Cos`ı facendo si migliora la sensibilit`a dell’analisi per cercare eventi in coincidenza nei dati di onde gravitazionali utilizzando l’informazione degli eventi di neutrini. Coincidenze accidentali in tempo e posizione in cielo sono molto poco probabili, quindi se una coincidenza venisse osservata questa costituirebbe una solida evidenza che le onde gravitazionali e i neutrini di alta energia sono stati osservati e che sono stati originati dalla medesima sorgente.
Bibliografia Sito dell’esperimento LIGO: www.ligo.caltech.edu Sito dell’esperimento Virgo: wwwcascina.virgo.infn.it [28] Pradier T. Coincidences between Gravitational Wave Interferometers and High Energy Neutrino Telescopes. In arXiv (lug. 2008). URL http://arxiv.org/abs/0807.2562 [29] Baret B. et al. Bounding the Time Delay between High-energy Neutrinos and Gravitational-wave Transients from Gamma-ray Bursts. In Astroparticle Physics, pp. 1–7 (gen. 2011). URL http://arxiv.org/abs/1101.4669
Analisi in coincidenza Sull’autore Gli interferometri di onde gravitazionali e i telescopi per neutrini condividono la sfida di ricercare segnali deboli e rari nascosti tra abbondanti eventi di rumore. L’analisi congiunta tra questi due messaggeri prevede l’utilizzo di una lista di eventi di neutrini in cui siano specificate le informazioni inerenti al tempo di arrivo e alla posizione in cielo con i relativi errori. Ogni evento di tale lista e` ottenuto utilizzando uno specifico algoritmo di ricostruzione per minimizzare le fonti di rumore ed evitare di includere falsi positivi. Utilizzando le informazioni della lista di neutrini si analizzano 22
Irene Di Palma (irene_d_p@hotmail.it) ha conseguito la laurea triennale in Astronomia e Astrofisica presso l’Universit`a Sapienza di Roma con una tesi sperimentale sulle ottiche di Virgo e la laurea specialistica con l’analisi dei dati da sorgenti puntiformi per ANTARES. Ora e` dottoranda per la collaborazione LIGO al Max Planck Institut f¨ur Gravitationsphysik, presso l’Albert Einstein Institut.
accastampato num. 6, Settembre 2011
RECENSIONI
Scienza Express
C OPERTINE
Leggere e` un diritto nella societ`a della conoscenza. Le questioni scientifiche, mediche e tecnologiche sono al centro del dibattito democratico. Nonostante questo, la distanza dei cittadini dalla lettura e dalle scienze e` grande. Scienza express si propone di contribuire a ridurla. Comincia cos`ı il manifesto programmatico di una delle pi`u interessanti novit`a del mondo dell’editoria scientifica italiana. In un periodo storico in cui si discute incessantemente di crisi del mercato del libro e si rincorrono le voci di una prossima, possibile morte del libro stesso, da qualche parte anche nel nostro Paese, che non ha mai brillato n´e nell’ambito della lettura, n´e in quello della cultura scientifica, emerge un briciolo di coraggio e nasce una nuova casa editrice di respiro nazionale tutta votata alla scienza: Scienza Express. Questo primo anno di attivit`a ha per ora visto un catalogo di undici libri con stili e di generi molto diversi e nessuno di essi e` realmente in tema con questo numero di Accastampato. Tra tanti neutrini, per`o, volgere lo sguardo sul resto dello sfaccettato mondo della scienza non pu`o che essere utile per mettere tutto nella giusta prospettiva. La blogosfera scientifica italiana e` discretamente ampia e articolata, sempre pi`u ricca di proposte e idee: un esempio recentissimo e` l’iniziativa di Moreno Colaiacovo (mygenomix.wordpress. com) che punta a collegare blogger scientifici e ricercatori rigorosamente giovani per costruire una rete di scrittori di scienza che si faccia vedere e sentire pi`u efficacemente. Tra i blogger pi`u conosciuti e apprezzati c’`e senz’altro Marco Fulvio Barozzi, in arte Popinga (keespopinga.blogspot.com), insegnante di matematica e poeta con pochi fronzoli, che semplicemente ama raccontare la scienza per versi e rime. Giovanni Keplero aveva un gatto nero e` una divertente e leggera raccolta di limerick, breve forma poetica inglese caratterizzata da contenuti umoristici o nonsense, tutti dedicati alla fisica, alla matematica, alle forze fondamentali, alla didattica: un modo diverso di accostarsi alla scienza o di ritrovare concetti ben noti espressi con parole e forme nuove. Meno originale e` forse la forma del dialogo per argomentare e insegnare, ma Roberto Zanasi e` abile a intessere un botta e risposta serrato tra un immaginario e paziente maestro e un altrettanto immaginario, ma questa volta tanto curioso quanto irritante, discepolo sulla matematica e i suoi fondamenti, in Verso l’infinito ma con calma. Non per tutti i concetti l’espediente narrativo funziona al meglio, ma sicuramente va dato merito al bellissimo titolo del volume. Rimanendo nell’ambito della didattica alternativa, i ragazzi dell’associazione Tecnoscienza.it si cimentano invece in un compito senza dubbio difficile, ma di indubbio fascino e importanza: mostrare e spiegare il metodo scientifico ai bambini pi`u piccoli, quelli delle scuole materne. In Facciamo che eravamo scienziati si susseguono dodici coinvolgenti esperimenti pensati e raccontati proprio per i pi`u piccoli a partire dalle due domande portanti dell’introduzione: “Che lingua parla la scienza?” e “Che lingua parlano i bambini?”. Uno strumento prezioso per gli insegnanti e i genitori pi`u attenti. Tornando ai giovani ricercatori e comunicatori italiani, ma spostandosi sulla narrativa pura, Paolo Magionami, giovane fisico di Perugia, affronta invece in La spia che veniva dal baseball alcune delle questioni pi`u spinose della fisica moderna, ambientando una storia d’intrighi e riflessioni sul rapporto tra scienza e societ`a negli anni della Seconda Guerra Mondiale. Questo primo assaggio di Scienza Express fornisce un’idea chiara dell’impostazione editoriale adottata e mostra subito i suoi punti di forza e di possibile debolezza. Leggendo questi quattro libri, molto diversi tra loro per stile e obiettivi, e` inevitabile (e piacevole) sentire quel sapore di pura sperimentazione, condita da un pizzico di amatorialit`a e adagiata su di un letto di infinita passione per la scienza.
I N BREVE Titolo
Autore Anno Pagine Prezzo ISBN Titolo
Autore Anno Pagine Prezzo ISBN Titolo
A cura Anno Pagine Prezzo ISBN Titolo Autore Anno Pagine Prezzo ISBN E DITORE
Alessio Cimarelli (Responsabile della comunicazione del Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non-lineare di Sesto Fiorentino) accastampato num. 6, Settembre 2011
Giovanni Keplero aveva un gatto nero Matematica e fisica in versi Marco Fulvio Barozzi 2011 150 9.00 e 978-88-96973-02-8 Verso l’infinito ma con calma Un dialogo su matematica, insiemi e numeri Roberto Zanasi 2011 144 12.00 e 978-88-96973-00-4 Facciamo che eravamo scienziati Esperimenti divertenti, colorati e semplici, da fare a casa e a scuola con i bambini dai 3 ai 6 anni Associazione Tecnoscienza.it 2011 82 16.00 e 978-88-96973-10-3 La spia che veniva dal baseball Paolo Magionami 2011 230 16.00 e 978-88-96973-11-0
RICERCATORI...
GENTE CHE LASCIA IL SEGNO. NOTTE EUROPEA DEI RICERCATORI - VENERDÌ 23 SETTEMBRE 2011 - A FRASCATI Sotto l’Alto Patronato del Presidente della Repubblica In collaborazione con
COMUNE DI GROTTAFERRATA
Con il patrocinio di
Comune di Monteporzio Catone
Con la partecipazione di
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