Le sorgenti, naturali e artificiali che producono i neutrini sono determinate dal
tipo di interazione del neutrino con la materia.
Si deve quindi prima capire come il neutrino interagisce con le altre particelle.
Interazioni e neutrino
Le interazioni note in natura sono quattro: gravitazionale, elettromagnetica,
debole e forte; per una descrizione di queste forze si veda
www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?numero=8369.
Il neutrino appartiene alla classe di particelle denominate leptoni; a
questa classe appartengono l’elettrone, il muone e il tau. Ad ognuna di
queste particelle Ë associato un neutrino (neutrino elettronico, muonico e
tau). Ai leptoni si contrappongono in natura gli adroni, particelle i cui
costituenti fondamentali sono i quark (per un maggior dettaglio si veda:
www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8337 )
Guardiamo come il neutrino si comporta nei confronti delle quattro forze
fondamentali.
Il neutrino, come suggerisce il nome, non ha carica elettrica (e’ neutro) e non
puo’ interagire elettromagnaticamente. La sua massa e’ molto piccola, e
l’interazione gravitazionale e’ quindi trascurabile.
La forza forte agisce sui quark, ovvero sugli adroni, e non interessa i leptoni.
Quindi resta la forza debole, che agisce appunto tra i leptoni: i neutrini
vengono generati tramite processi che coinvolgono la forza debole. Il
principale processo di questo tipo e’ il decadimento beta, ad es. nel
decadimento del neutrone, o di isotopi instabili.
L’energia del neutrino prodotto in queste reazioni e’ dell’ordine del MeV
(1MeV = 10[sup]6[/sup]eV(electronVolt) = 1.6×10[sup]-13[/sup]Joule).
Le sorgenti naturali del neutrino
La classificazione che segue e’ puramente formale, utile a chiarire la loro
origine.
Il Sole
La sorgente principale dei neutrini che raggiungono la Terra e’ il Sole; si
parla di neutrini solari.
Questi sono prodotti dalle reazioni nucleari che avvengono nel centro della
stella; la reazione principale, detta protone-protone, consiste in una catena di
pi reazioni, alcune delle quali producono neutesprini. Di seguito Ë riportato
uno schema semplificato del processo:
Si vede come il neutrino sia emesso insieme ad un positrone (l’antiparticella
dell’elettrone, indicato in figura con beta+) anch’esso un prodotto del
decadimento beta.
Il Sole emette 10[esp]38[/espesp] neutrini al secondo di cui circa 40 miliardi
per cm[esp]2[/esp] raggiungono la Terra.
Atmosfera
Un gran numero di neutrini e’ prodotto dall’urto dei raggi cosmici
-particelle altamente energetiche (in maggioranza protoni, elettroni e nuclei)
che raggiungono la Terra dallo spazio esterno- con i nuclei dell’atmosfera; da
questo urto si originano sciami di particelle (come pioni e mu) che decadendo
producono neutrini cosidetti atmosferici.
Sopra: una rappresentazione di uno sciame atmosferico prodotto da un
raggio cosmico.
Sotto: schema dei vari processi che avvengono durante lo sviluppo di uno
sciame atmosferico.
Decadimenti naturali
I neutrini vengono anche prodotti da decadimenti di isotopi radioattivi, che
normalmente sono presenti nell’ambiente.
Ad esempio circa 340 milioni di neutrini sono prodotti giornalmente dai 20mg
di Potassio 40 presente nel nostro corpo.
Sorgenti astrofisiche
Oltre le reazioni nucleari negli interni stellari, vi sono processi energetici,
spesso catastrofici, che si pensa producano neutrini, alla cui rivelazione sono
dedicati molti esperimenti.
Gli astrofisici hanno calcolato che una buona parte dell’energia prodotta
dall’esplosione di una supernova venga emessa sotto forma di neutrini; in
effetti nel 1987 l’esplosione di una supernova nella vicina Nube di Magellano
ha dato un segnale nei rivelatori di Kamiokande II e IMB, prodotto da 12 nel
primo e 7 neutrini (!) nel secondo, entro un intervallo di 10sec.
Altri fenomeni, pi o meno esotici, aspettano di essere rivelati dai rivelatori di
neutrini. Tra queste sorgenti troviamo i Gamma Ray Burst (GRB), stelle di
neutroni che coalescono, emissione da nuclei galattici attivi.
Le sorgenti artificiali
I neutrini possono anche essere prodotti artificialmente, come sottoprodotto di
reazioni nucleari o in esperimenti appositamente studiati per produrli.
Reattori nucleari
I prodotti delle reazioni di fissione dei reattori nucleari, ovvero i nuclei che si
ottengono dalla fissione dell’Uranio o del Plutonio, sono isotopi instabili, che
decadono spesso per decadimento beta, producendo cosÏ neutrini.
Acceleratori di particelle
Gli acceleratori di particelle permettono di studiare le proprieta’ delle
particelle elementari attraverso l’urto di particelle tra loro (ad esempio protone
su antiprotone, oppure elettrone su targhetta fissa, ovvero su nuclei). In
questo urto, come avviene per i raggi cosmici in atmosfera, si formano altre
particelle che decadendo producono neutrini.
Al CERN di Ginevra e al Fermilab di Chicago sono previsti esperimenti
dedicati alla produzione di neutrini –neutrino factory-, da dirigere su dei
rivelatori distanti, per studiare le oscillazioni del neutrino. Questi esperimenti
producono neutrini dirigendo un fascio di protoni su una targhetta,
producendo cosÏ un fascio di pioni che decadono in muoni. I muoni vengono
accelerati e quindi decadono producendo un neutrino di energia elevata, che
sara’ orientato verso il rivelatore, distante anche centinaia di chilometri.
Rivelazione del neutrino
Data la neutralita’ del neutrino, la sua piccola massa e il fatto che interagisce
solo tramite la forza debole, la probabilita’ di interazione con la materia Ë
molto bassa.
Per avere un’idea dei numeri in gioco si pensi che dei neutrini provenienti dal
Sole (circa 10[esp]38[/esp] al secondo) solo pochi interagiscono con la Terra
attraversandola completamente.
Quindi i rivelatori di neutrini devono essere di grandi dimensioni per poter
registrare qualche evento prodotto da neutrino. Inoltre devono essere
schermati per eliminare gli eventi di fondo prodotti dalla radioattivita’ naturale
e dai raggi cosmici. Per questo si trovano spesso in miniere, o nelle
profondita’ oceaniche.
La prima osservazione del neutrino e’ avvenuta nel 1953 con l’esperimento di
Clyde Cowan e Fred Reines, che hanno usato un bidone con 200 litri di
acqua con aggiunte di Cadmio, posto vicino ad un reattore nucleare. Questo
forniva gli antineutrini che reagivano con i protoni dell’idrogeno dell’acqua,
secondo una reazione beta-inversa, ovvero producendo un positrone e
un neutrone: il positrone poi si annichila con gli elettroni atomici emettendo
un fotone, e il neutrone veniva catturato dagli atomi di Cadmio disciolti in
acqua, che diseccitandosi emettevano a loro volta un fotone. Dei
fotomoltiplicatori disposti intorno al bidone rivelavano quindi il segnale dei
fotoni. Il flusso molto elevato (10[esp]12[/esp] antineutrini per centimetro
quadro) proveniente dalla centrale, permetteva di avere circa due rivelazioni
l’ora, con un fondo limitato.
Il primo esperimento che ha rivelato i neutrini solari si trovava in una vecchia
miniera d’oro del Sud Dakota, ed era costituito da 650 tonnellate di
percloroetilene (candeggina). I neutrini interagivano con il Cloro producendo
Argon ([esp]37[/esp]Cl + nu -> [esp]37[/esp]Ar + e[esp]-[/esp]), che veniva
estratto e misurato chimicamente.
SuperKamiokande, un esperimento situato in una miniera in Giappone,
utilizza una tecnica diversa. I neutrini solari vanno ad urtare con gli elettroni
degli atomi di acqua di cui e’ costituito il rivelatore (circa 50000 tonnellate).
L’elettrone viene cosÏ accelerato, producendo della luce per effetto
Cherenkov,e viene rivelato da alcuni degli 11200 fotomoltiplicatori posti
sulle pareti della vasca che contiene l’acqua. In questo modo e’ anche
possibile misurare la direzione del neutrino incidente: SuperKamiokande, e
gli esperimenti che usano tecniche simili,costituisce un telescopio per
neutrini, permettendo di misurare la direzione da cui questi neutrini
provengono, associandoli quindi ad eventuali sorgenti astrofisiche che li
hanno emessi.
Riferimenti, approfondimenti
Un’interessante descrizione delle proprieta’ del neutrino e della sua storia si
trova (in inglese e francese) su:
http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/aneut.html
In italiano al sito dei laboratori INFN di Frascati:
scienzapertutti.lnf.infn.it/index1.html
Il segnale dei neutrini dalla supernova SN1987A:
zebu.uoregon.edu/~soper/StarDeath/sn1987a.html
Sull’oscillazione del neutrino:
www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8330
Alcuni siti di esperimenti che rivelano neutrini:
SuperKamiokande e SNO gli esperimenti di rivelazione dei neutrini solari (e
non solo):
www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/doc/sk/index.html
www.sno.phy.queensu.ca
AMANDA e ICECUBE, utilizzano i ghiacci polari come rivelatore di neutrini ad
alta energia, mentre ANTARES sfrutta le acque del mediterraneo:
amanda.berkeley.edu/amanda/amanda.html
www.ps.uci.edu/~icecube/workshop.html
antares.in2p3.fr/
ICARUS, l’esperimento nei laboratori sotterranei del Gran Sasso che riveler‡ i
neutrini prodotti al CERN di Ginevra:
www.aquila.infn.it/icarus