{"id":1902,"date":"2001-05-20T00:00:00","date_gmt":"2001-05-19T22:00:00","guid":{"rendered":""},"modified":"-0001-11-30T00:00:00","modified_gmt":"-0001-11-29T22:00:00","slug":"1902","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.vialattea.net\/content\/1902\/","title":{"rendered":"Sono in atto diversi esperimenti in varie parti del mondo atti a determinare se il neutrino ha massa. Volevo sapere se qualcuno di questi esperimenti ha permesso di risolvere il problema in maniera certa e definitiva."},"content":{"rendered":"

Il neutrino<\/span><\/b><\/span><\/p>\n

Il neutrino e’ una particella particolarmente elusiva. Lo dimostra la sua
\n storia (vedi <\/span>box<\/span><\/a><\/span>)
\n e il fatto che ancora molte delle sue proprieta’ restano da determinare.
\n Possiamo pero’ affermare che almeno uno dei dubbi che lo riguardavano
\n ha avuto un decisivo impulso verso una soluzione. I risultati pubblicati
\n nel 1998 dalla collaborazione dell’esperimento SuperKamiokande (SK nel
\n seguito) in Giappone indicano chiaramente che il neutrino oscilla ed e’
\n quindi dotato di massa. I risultati di altri esperimenti, pur non rivelando
\n in maniera cosi’ eclatante questa oscillazione, pongono limiti che risultano
\n compatibili con il risultato di SK.<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Cerchiamo ora di capire come viene studiato il neutrino, cosa si intende
\n per oscillazione e come, nonostante questa scoperta, molto resta ancora
\n da fare.<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Il neutrino esiste in tre forme, associate ai leptoni elettrone, muone e
\n tau (il neutrino-tau e’ stato identificato per la prima volta in maniera
\n diretta meno di un anno fa, dall’esperimento DONUT al Fermilab). Le sorgenti
\n che producono neutrini sono principalmente:<\/span><\/span><\/p>\n

\u00b7
\n <\/span><\/span>le reazioni termonucleari di fusione dell’idrogeno
\n che avvengono nel nucleo del Sole (neutrini solari);<\/span><\/span><\/p>\n

\u00b7
\n <\/span><\/span>l’interazione dei raggi cosmici (particelle energetiche,
\n principalmente protoni e nuclei di elio, che permeano lo spazio esterno)
\n con l’atmosfera terrestre (neutrini atmosferici);<\/span><\/span><\/p>\n

\u00b7
\n <\/span><\/span>gli urti o il decadimento di particelle agli acceleratori
\n e nelle centrali nucleari (neutrini da acceleratore). <\/span><\/span><\/p>\n

Inoltre essi sono anche prodotti da varie sorgenti astrofisiche e sono previsti
\n dalle teorie cosmologiche come residui fossili del big-bang.<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Gli esperimenti che intendono rivelarli devono progettare il loro apparato
\n in<\/span> <\/span>relazione
\n all’energia e al tipo di neutrino prodotti da queste sorgenti. Superkamiokande
\n era stato progettato per rivelare il decadimento del protone.<\/span> <\/span>E’ costituito da una vasca
\n contenente 50000 tonnellate di acqua e circondata da rivelatori di luce
\n (fotomoltiplicatori) che servono ad identificare le particelle prodotte
\n dal decadimento del protone. Naturalmente esistono molte altre reazioni
\n spurie che inquinano il possibile segnale del decadimento e che devono
\n essere riconosciute e rigettate. Tra queste, sebbene in minoranza, vi
\n sono anche le reazioni indotte dai neutrini atmosferici e solari. <\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Un neutrino, sia esso elettronico, muonico o tau, e’ in grado di attraversare
\n lo spessore terrestre senza subire alcuna interazione. Dei numerosi neutrini
\n che attraversano la vasca di acqua (circa 1017<\/sup> ogni secondo
\n provenienti dal sole e un milione dalle reazioni dei raggi cosmici con
\n l’atmosfera), SK ne rivela circa uno ogni ora e mezzo.<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Questi interagiscono con i nuclei dell’acqua, andando ad urtare i quark
\n che costituiscono i protoni e neutroni dei nuclei. Nella reazione si creano
\n elettroni o muoni che fuggono dal nucleo e percorrono alcuni metri in
\n acqua dove emettono luce Cherenkov, che viene vista dai fotomoltiplicatori.
\n Da qui e’ possibile conoscere la direzione di provenienza del neutrino.
\n Studiando queste direzioni e’ possibile capire se il neutrino nel suo
\n viaggio dal punto di produzione al rivelatore ha oscillato. <\/span>(Nota: Una descrizione semplice e completa dell’esperimento
\n SK e dei risultati sullo studio dei neutrini si puo’ trovare sul fascicolo
\n di ottobre 1999 del “Le Scienze”, nell’articolo “Alla scoperta
\n della massa del neutrino”)<\/span>.<\/span><\/span><\/p>\n

<\/span><\/p>\n

Oscillazioni e massa<\/span><\/b><\/span><\/p>\n

Con oscillazione si intende la trasformazione di un determinato tipo di
\n neutrino<\/span> <\/span>in un altro tipo; ad esempio
\n un decadimento beta produce un neutrino muonico (<\/span>nm<\/sub><\/span>)
\n che si trasforma nel suo tragitto in un neutrino tau (<\/span>nt<\/sub><\/span>)(vedi
\n figura).<\/span><\/span><\/p>\n

\"\"<\/span><\/p>\n

Questo effetto e’ di carattere tipicamente quantistico. Volendo trovare
\n un’analogia possiamo paragonarlo allo stato di polarizzazione della luce
\n che, attraversando determinate sostanze, puo’ cambiare in relazione alla
\n lunghezza percorsa.<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

La trasformazione dipende dalla distanza percorsa e da altri due parametri:
\n la differenza di massa tra i due tipi di neutrini (<\/span>D<\/span>m) e il cosiddetto angolo di mixing (<\/span>q<\/span>), che ci dice di quanto i due neutrini sono in grado
\n di sovrapporsi. Il tutto si esprime matematicamente dicendo che la probabilita’
\n che un neutrino di tipo i<\/i> e di energia E<\/i> si possa trasformare
\n in un neutrino di tipo j<\/i> dopo aver percorso lo spazio L<\/i>
\n e’:<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

P(<\/span>n<\/span>i<\/span><\/sub><\/i> ->
\n <\/span>n<\/span>j<\/span><\/sub><\/i>)
\n = sin2<\/sup>(2<\/span>q<\/span>) * sin2<\/sup>(1.27*<\/span>D<\/span>m<\/span>2<\/span><\/sup> * L<\/i>\/E<\/i>)<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Quello che importa vedere e’ che se la massa del neutrino e’ zero allora
\n <\/span>D<\/span>m e’ necessariamente
\n nullo e la probabilita’ e’ zero: non e’ possibile osservare alcuna oscillazione.
\n Al contrario se si osserva un’oscillazione (una trasformazione del neutrino
\n da un tipo ad un altro) allora <\/span>D<\/span>m deve essere
\n diverso da zero.<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Non descrivo come SK sia giunto all’evidenza dell’oscillazione del neutrino;
\n l’articolo citato de “Le Scienze” e’ sicuramente piu’ adeguato
\n allo scopo. Voglio pero’ indicare come il risultato di SK sia concorde
\n a quello di altri esperimenti che, con metodi anche diversi, studiano
\n i neutrini atmosferici.<\/span><\/span><\/p>\n

\"\"<\/span><\/p>\n

La figura mostra un grafico in cui sono riportati i valori dei due parametri
\n chiave dell’oscillazione: <\/span>D<\/span>m e il seno
\n dell’angolo di mixing sin2<\/sup>(2<\/span>q<\/span>) che compaiono
\n nella formula scritta in precedenza.<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Ogni esperimento, anche se non osserva direttamente l’oscillazione (come
\n MACRO, SOUDAN2), e’ in grado di individuare delle zone dove possono trovarsi
\n questi parametri (l’area a destra delle curve verdi (MACRO) e marroni
\n (SOUDAN2)). <\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

In piu’ SK (la linea in rosso) indica i valori dei parametri calcolati.
\n Si vede che questi si trovano ben all’interno delle zone permesse dagli
\n altri esperimenti, rendendoci confidenti del risultato. Lo scopo degli
\n esperimenti futuri sara’ quello di restringere queste zone e dare cosi’
\n dei limiti piu’ stringenti alla fisica del neutrino, di cui la determinazione
\n della massa e’ solo uno dei punti da chiarire.<\/span><\/span><\/p>\n

<\/span><\/p>\n

Il futuro<\/span><\/b><\/span><\/p>\n

I risultati di SuperKamiokande sono convincenti, perche’ il segnale che
\n indica l’oscillazione e’ statisticamente molto significativo e perche’
\n le sistematiche dell’esperimento sono ben sotto controllo; in effetti
\n il segnale dei neutrini sul fondo di raggi cosmici e’ cosi’ piccolo che
\n bastano piccole inefficienze per avere un segnale spurio identificabile
\n come oscillazione. <\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Ma un principio cardine della ricerca scientifica e’ la ripetibilita’ dei
\n risultati; e’ necessario che anche altri esperimenti diano dei risultati
\n simili, magari utilizzando tecniche diverse.<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Nello studio dei neutrini solari saranno determinanti i due esperimenti
\n SNO (Sudbury Neutrino Observatory) in Canada, che gia’ prende dati, e
\n l’esperimento, in gran parte italiano, Borexino, in costruzione nei laboratori
\n Nazionali del Gran Sasso. Questi osserveranno i neutrini provenienti dalle
\n varie reazioni termonucleari della catena p-p di fusione.<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Interessanti sono i tre esperimenti che utilizzeranno fasci di neutrini
\n generati appositamente da accelleratori e indirizzati, a distanza di molti
\n chilometri, verso il rivelatore. In Giappone lo stesso SK viene utilizzato
\n nell’esperimento K2K (KEK to Kamioka) per osservare i neutrini prodotti
\n da KEK, a 250km di distanza. I primi neutrini sono gia’ stati osservati
\n a partire dal giugno 1999 e le prime analisi indicano un deficit di eventi,
\n come atteso dall’oscillazione (27 eventi contro i 40 attesi in assenza
\n di oscillazione); ma la significativita’ statistica e’ ancora bassa. <\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

In america un fascio partira’ dal Fermilab nel 2003 e raggiungera’ l’esperimento
\n MINOS distante 730km.<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Anche l’Italia verra’ attraversata da un fascio di neutrini prodotti al
\n CERN di Ginevra e arrivera’ fino ai laboratori del Gran Sasso, dove l’esperimento
\n OPERA avra’ il compito di rivelarli (vedi figura).<\/span><\/span><\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Altri esperimenti dovrebbero essere citati, come quelli che usano il ghiaccio
\n dell’Antartide (AMANDA, ICECUBE) o l’acqua dell’oceano (NESTOR,ANTARES
\n ) come rivelatore, ed altri ancora. Rimando il lettore ai rispettivi siti
\n web, riportati nella prossima sezione.<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

<\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Riferimenti<\/span><\/b><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

L’articolo de “Le Scienze” sull’esperimento SuperKamiokande e
\n la scoperta dell’oscillazione del neutrino. “Alla scoperta della
\n massa del neutrino” Le Scienze ottobre (1999).<\/span><\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

Un documento divulgativo ma
\n completo sull’oscillazione del neutrino, contenente anche un profilo storico
\n della fisica del neutrino, si trova (in formato postscript) su: <\/span><\/p>\n

\n <\/div>\n

http:\/\/www.phys.hawaii.edu\/~jgl\/post\/neutrinos.ps<\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

<\/span><\/p>\n

I siti web degli esperimenti citati (in inglese):<\/span><\/span><\/p>\n

SuperKamiokande
\n <\/span>http:\/\/www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp\/doc\/sk\/index.html<\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

K2K
\n <\/span>http:\/\/neutrino.kek.jp\/ <\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

OPERA
\n <\/span>http:\/\/opera.web.cern.ch\/opera\/<\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

Borexino
\n <\/span>http:\/\/almime.mi.infn.it<\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

SNO
\n <\/span>http:\/\/www.sno.phy.queensu.ca\/<\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

ANTARES (contiene anche un’interessante sezione che descrive la fisica dell’esperimento)
\n <\/span>http:\/\/antares.in2p3.fr\/<\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

AMANDA – ICECUBE
\n <\/span>http:\/\/amanda.berkeley.edu\/amanda\/amanda.html<\/span><\/a><\/span>
\n <\/span>http:\/\/www.ps.uci.edu\/~icecube\/workshop.html<\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

NESTOR
\n <\/span>http:\/\/www.nestor.org.gr\/<\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

MINOS
\n <\/span>http:\/\/www-numi.fnal.gov:8875\/<\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

DONUT
\n <\/span>http:\/\/fn872.fnal.gov\/<\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

Il padre di tutti i siti sull’industria del neutrino….:
\n <\/span>http:\/\/hepunx.rl.ac.uk\/neutrino-industry\/<\/span><\/a><\/span><\/span><\/p>\n

<\/span><\/p>\n

\n\n\n\n
\n

Breve storia
\n del neutrino<\/span><\/b><\/span><\/a><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

La prima indicazione dell’esistenza di una particella neutra, debolmente
\n intereagente con la materia e di massa molto piccola e’ venuta
\n nel 1933 con l’osservazione del decadimento beta, ovvero della
\n trasformazione di un neutrone in protone con emissione di un elettrone
\n e, appunto, di un neutrino. <\/a><\/span>(vedi figura)<\/a><\/span><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

\"\"<\/a><\/span><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

Questa reazione avviene abitualmente in molte sostanze radioattive e all’epoca
\n era stata osservata nel decadimento del 60<\/sup>Co (vedi
\n figura).Gli sperimentatori osservavano i prodotti del decadimento:
\n il Ni e l’elettrone, di cui misuravano l’energia arrivando invariabilmente
\n alla conclusione che qualcosa mancava: il bilancio energetico
\n della reazione indicava che dell’energia andava persa. Si guardo’
\n anche alla violazione del principio di conservazione dell’energia
\n come ad una possibile soluzione… Fu W. Pauli a risolvere il
\n mistero ipotizzando l’esistenza di una particella neutra e di
\n piccola massa. E. Fermi introdusse questa particella nella sua
\n teoria del decadimento beta e la chiamo’ neutrino.<\/a><\/span><\/span><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

Il neutrino interagisce debolmente con la materia: la sua identificazione
\n diretta e’ molto difficile ed e’ avvenuta solamente nel 1956 da
\n parte di F.Reynes e C.Cowan, che cercavano di fare iteragire gli
\n anti-neutrini prodotti da una centrale nucleare, su i protoni
\n del rivelatore (una vasca d’acqua) secondo la reazione:<\/a><\/span><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

_<\/a><\/span><\/span><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

n<\/a><\/span> + p ->
\n n + e+<\/sup> (decadimento beta-inverso)<\/a><\/span><\/span><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

Nel quadro teorico che si veniva delineando in quegli anni si supponeva
\n l’esistenza di tre tipi di sapori del neutrino associati ai tre
\n leptoni elettrone, muone e tau. Inoltre nel modello standard,
\n che avrebbe assunto la sua forma compiuta negli anni settanta,
\n veniva posta una massa nulla per i neutrini.<\/a><\/span><\/span><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

Contemporaneamente i primi esperimenti per la rivelazione dei neutrini
\n dal Sole, pioniere Homestakes nelle miniere del Sud Dakota, mostravano
\n un imbarazzante deficit di eventi rispetto alle previsioni del
\n modello solare standard. Comincio’ a delinearsi un “problema
\n del neutrino solare” e quindi l’esigenza di costruire nuovi
\n esperimenti che studiassero a piu’ ampio raggio questa nuova fisica
\n e fornissero dei dati solidi su cui basare le teorie. <\/a><\/span><\/span><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

Dare massa al neutrino sembrava la soluzione ideale, grazie al fenomeno
\n delle oscillazioni tra i sapori. Inoltre un neutrino massivo,
\n che similmente alla radiazione di fondo a 2.7 oK permea l’universo
\n seguendo le leggi gravitazionali, era il candidato favorito al
\n ruolo di massa oscura. Ma i limiti sulla sua massa, e in particolar
\n modo quelli ottenuti da SK, avrebbero giustificato solo in parte
\n questa ipotesi.<\/a><\/span><\/span><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

Il capitolo piu’ recente della storia del neutrino e’ stato scritto nel
\n 2000 con l’identificazione diretta del neutrino tau da parte di
\n DONUT (direct Observation of the NU Tau) al Fermilab. Insieme
\n alla scoperta del quark top nel 1995 da parte dell’esperimento
\n CDF, sempre al Fermilab, la scoperta di DONUT ha completato il
\n quadro sperimentale delle tre famiglie leptoniche (e-<\/a><\/span>n<\/a><\/span>e<\/span><\/sub>, <\/span>m<\/span>–<\/span>n<\/span>m<\/span><\/sub>, <\/span>t<\/span>–<\/span>n<\/span>t<\/span><\/sub>)
\n e adroniche dei quark (up-down, strange-charm, top-bottom).<\/span><\/span><\/a><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

<\/a><\/p>\n

<\/a><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table><\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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