Accastampato n. 6

true

La fisica del neutrino

Un tuffo nel cosmo

Settembre 2011

www.accatagliato.org

Bruno Pontecorvo

Numero speciale per la Notte Europea dei Ricercatori

Cuor di neutrino

I messaggeri dellʼUniverso

Ottantʼanni di sfide per carpire i segretidella particella più sfuggente dellʼUniverso

Prime analisi congiunte tra onde gravitazionali

e neutrini di alta energia

La vita contraddittoriadi un grande scienziato italiano

Tra galassie, particelle e pesci luminosi, l'emozionante sfida di ANTARESalla ricerca dei neutrini astrofisici

Passione e determinazione per sollevare il velodel decadimento doppio beta

BorexinoStudiare il Sole... sotto terra!

Accastampato non e un periodico, pertanto non e registra-to e non ha un direttore responsabile. Questo sesto nume-ro e uno speciale dedicato alla Notte Europea dei Ricerca-tori 2011, con la collaborazione dell’associazione FrascatiScienza, promotrice dell’evento a Frascati.

Impaginazione ed editing: Alessio CimarelliGrafica: Silvia MarianiIn copertina: “Super-Kamiokande Detector in Japan” (www.thelivingmoon.com)

Gli articoli contenuti in questo numero sono protetti conmarca digitale grazie a patamu.com

La rivista e disponibile on-line all’indirizzo http://www.accastampato.it, navigabile sia da computer che dacellulare e scaricabile nei formati PDF ed ePUB.

Quest’opera e rilasciata sotto la licenza Creative CommonsAttribuzione-Non commerciale-Condividi allo stesso modo3.0 Unported. Se non specificato altrimenti, tutti gli ar-ticoli in essa contenuti sono rilasciati dai rispettivi auto-ri sotto la medesima licenza. Per leggere una copia dellalicenza visita il sito web http://creativecommons.

org/licenses/by-nc-sa/3.0/ o spedisci una lette-ra a Creative Commons, 171 Second Street, Suite 300, SanFrancisco, California, 94105, USA.

Indice num. 6, Settembre 2011

EDITORIALE

Ricercatori che lasciano il segno 5Secondo anno al fianco dell’associazione Frascati Scienzaper promuovere la ricerca scientifica nell’ambito dellaNotte Europea dei Ricercatori

IL RICERCATORE ROMANOLa fisica del neutrino 6di A. MinottiI neutrini sono particelle uniche tra tutte quelle conosciute egli enigmatici fenomeni di cui sono protagoniste spingonoun gran numero di fisici influenti a dedicare la propriacarriera al loro studio, valso finora ben tre premi Nobel

LE SPALLE DEI GIGANTIIl professor Neutrino 9

di F. Close, S. TurchettiDi Bruno Pontecorvo si sanno soprattutto due cose: nel1950 scompare misteriosamente dall’Italia e pochi annidopo rispunta in Unione Sovietica in qualita di uno deimassimi esperti mondiali di neutrini

IL RICERCATORE ROMANOCuor di neutrino 12di C. TomeiSpingere al limite la tecnologia allo scopo di scoprire il ra-rissimo decadimento doppio beta, finora mai osservato, chegetterebbe nuova luce sulle proprieta ancora sconosciute diquesta elusiva particella chiamata neutrino

Borexino 15di M. Buizza AvanziniMilano, Universita degli Studi, Dipartimento di Fisica.Maggio 2005. In aula una ventina di studenti aspettanodi cominciare il terzo modulo del corso di Introduzioneall’Astrofisica. Oggi si comincia un argomento nuovo:“Neutrini, i messaggeri dallo spazio”. . .

Un tuffo nel cosmo 18di G. De BonisImmerso nelle acque del Mar Mediterraneo, un apparatocostituito da fotomoltiplicatori e strumenti oceanograficiregistra il passaggio delle particelle piu sfuggenti del Mo-dello Standard, giunte sulla Terra dai confini dell’Universo

I messaggeri dell’Universo 21

di I. Di PalmaL’astronomia multi-messaggero, usando sonde come fotoni,protoni, neutrini, onde gravitazionali, sta aprendo nuovefrontiere all’osservazione delle sorgenti astrofisiche piulontane e dei fenomeni piu violenti del cosmo

RECENSIONI

Scienza Express 23di A. CimarelliQuest’anno ha visto la nascita di una creatura strana,almeno per il nostro mercato: una casa editrice. Per di piuspecializzata in scienza: con tanta saggistica, certo, maanche con generi al limite della narrativa o della poesia

accastampato num. 6, Settembre 2011 3

Attivitàdella

settimana

17-24settem

breda

sabato17asabato

2416:00-20:00

>Info

PointPiazzaMarconi,Frascati

EuropeanCorner.Un

“angolo”dove

incontrareiricercatorie

riceveredaloro

informazionisulle

attivitàscientifiche

delterritorioTuscolano

esulle

iniziativedella

Commissione

Europea,riguardantilaRicerca.

domenica

1819:00-23:00

>Lanificio

159-Via

diPietralata159,Rom

aEvento

lancio.Aperitivo/cenaperpresentare

laNotte

Europeadei

Ricercatori2011.Ilpubblicoassisterà

allosvolgim

entodiesperim

entiscientificioltre

cheaunconcerto

dimusica

dalvivo.

lunedì1915:00

e16:30

>Area

diRicercaARTOV,TorVergata

Visitaguidata

dellafototeca

NASA*18:30

>Com

unediFrascati,Sala

degliSpecchiConferenza

delprof.FulcoLanchester*

OrdinariodiDiritto

CostituzionaleCom

paratoall’Università

diRomaSapienza,su:“Lo

Statodicultura

eilfuturo

dellibrocon

l'e-book”

martedì20

15:00-17:00>Area


Seminario*

“Larosa

deiventiel’avventura

dell’uomo”

18:30>Com

unediFrascati,Sala


delprof.PaoloSim

oncelli*,OrdinariodiStoria

Moderna

all’UniversitàdiRom

aSapienza,su:“Copernico

eGalileo,oltre

l'eliocentrismo”

mercoledì21

15:00-16:00>Area


VisitadelCam

posperim

entale*dell’Istituto

diFisicadell’Atm

osferaedelClim

adelCNR

18:30>Com

unediFrascati,Sala


dellaprof.ssa

TeresaSerra*,Ordinario

diFilosofiadelDiritto

all’UniversitàdiRom

aSapienza,su:“Tra

ScienzaeFilosofia”

giovedì2215:00-16:00

>Area


Conferenza*“Attraversolarivoluzione

dellaTecnologia

edell’Inform

atica”18:30

>Com

unediFrascati,Sala


deldott.Mirko

DiBernardo*,ricercatorepresso

l’UniversitàdiRom

aTorVergata,su:“Teoria

dellacom

plessitàescienze

dellavita:oltre

ilriduzionismoeildeterm

inismo”

Diversa…mente…

Chimica

>Centro

diRiabilitazioneTangram

,Roma

Spettacoloscientifico

rivoltoaidiversam

enteabilicon

l’obiettivodidivulgare

laconoscenza

dellaChim

ica.Un’iniziativavoluta

eorganizzata

dallaRegione

Lazio-AssessoratoCultura,Arte,Sporte

riservataairagazzi

dell’associazioneTangram

eSpecialOlym

picsItalia.

sabato24

17:00-24:00>Passeggiata

Belvedere,Frascati>European

Corner17:00-24:00

>Stand

inPasseggiata,Frascati>

Handson

experiments

Giovanilaureatiinbiologia

sarannoadisposizione

perstupireicuriosi

ditutteleetà

conesperim

entielaboratoriperbam

bini,trainsettie

lentidiingrandim

ento.17:00-20:00

>Scuderie

Aldobrandini,Frascati>Prem

ioGratton

Premiazione

dellapiù

meritevole

tesidiDottoratodiRicerca

inAstronom

iaoAstrofisica

realizzatanell’ultim

obiennio

inunIstituto

diricercaitaliano.

AttivitàEntidiRicerca

venerdi23Settem

bre14:00-23:00

Meetthe

researchersinthe

CityofScience.

Visite,eventieattività

pressoglientidiricerca

cheaderiscono

all’iniziativa.Pertutte

leattività

l’ingressoèlibero

maèobbligatoria

laprenotazione.

Perprenotarsi:www.frascatiscienza.it

AreaRicerca

TorVergataARTOV

**15:00-19:00

LaScienza

inPiazza

ARTOV.All’internodell’Area

diricercaverranno

allestitistanddove

sarannoespostialcuniesperim

entideiricercatoriCNR

eINAF.Inoltre:m

ostretem

poranee,proiezionidifilmatie

misurazioni

atmosferiche

indiretta

attraversoilvolo

diunaquilone.

15:00-17:00Apertura

deiLaboratoriCNReINAF.L’organizzazione

elapartenza

deigruppiperlevisite

avverràdalla

PiazzaARTOV

all’internodell’Area.

ENEAAgenzia

nazionaleperle

nuovetecnologie,l’energia

elosviluppo

economico

sostenibile**

16:00-24:00Percorsiguidatitem

atici“laluce:dalla

ricercaalle

applicazioni”e“la

fusionenucleare

el’elettrom

agnetismo”.Ilpubblico

potràinoltre

assistereadapplicazioniperle

tecnologieICT,alla

visualizzazione3D

perlaconoscenza

elaform

azionesulpatrim

onioculturale

eadesperim

entidisuperconduttività.21:00

Spettacoloteatrale

“IlKyotoFisso”.

INAF-OARIstit.Naz.diAstrofisica-Osservatorio

Astronomico

diRoma

ASI-ASDCAgenzia

SpazialeItaliana-ASIScience

DataCenter**

17:00-24:00Osservazioniastronom

icheinsiem

eairicercatori;visite

all’Astrolab,illaboratoriointerattivo

dell’INAF-OAR;visitealla

CupolaScozzesi;

conferenzeepresentazionidilibri.

INFNIstituto

NazionalediFisica

Nucleare**

14:15-18:30LNF

LaboratoriNazionalidiFrascatiTre

turnidivisiteguidate

econferenze

apertealpubblico.

17:00-23:00LNGS

LaboratoriNazionalidelGranSasso

-Teramo

Museo

dellaFisica

edell’Astrofisica

Galileium:ricco

programmadivisite

guidate,incontriconiricercatori,attività

didattiche,conferenzeespettacoli

diteatroscientifico.

17:00-23:00EGO

VIRGO(Pisa)**

Visiteguidate

einterattive,exhibits

ecaffè

dellascienza.

INGVIstituto

NazionalediGeofisica

eVulcanologia

**16:00-24:00

Visiteguidate

nellasala

dimonitoraggio

sismico

ealla

mostra

suiterremotie

sulmagnetism

o.Peripiù

piccoligiochisuicomportam

entidatenere

incaso

diterremoto

eun

laboratoriodivulcanologia.

ESAESRIN

AgenziaSpaziale

Europea**

16:30-24:00Quattro

sessionidivisitedella

duratadidue

oreciascuna

perunmassim

odi200

personeasessione.Sarà

presentel’ex-astronauta

dell'ESAUm

bertoGuidoniche

racconteràl’avventura

dell’uomonello

spazio.Aseguire

ivisitatoriincontrerannoiricercatoriESA,ASIe

dell’industriaspaziale

italianaesaranno

accompagnatiin

ungiro

virtualedello

Spazio.Potranno

osservarelaTerra

dall’alto,vederepianetie

satellitierealizzare

esperimenti.

Attivitànotte

venerdi23Settem

bre10:30-12:30

>Com

unediFrascati-Sala

ConsiliareTecnologie

einnovazionivicine

alterritorio-ilconcetto

diSmart

Cities.Vetrinaditecnologie,progettie

prodottinelcampo

ambientale,

delrisparmioenergetico,delle

energierinnovabili,delle

ICTedella

mobilità.

Unevento

organizzatoda“Officina

dell’Innovazione”dellaProvincia

diRoma.


Belvedere>European

CornerUn

“angolo”dove

incontrareiricercatorie

riceveredaloro

informazioni

sulleattività

scientifichedelterritorio

Tuscolanoesulle

iniziativedella

Commissione

Europea,riguardantilaRicerca.

17:00-24:00>Stand

inPasseggiata

-ScuderieAldobrandini

Handson

Experiments.Giovanilaureatidelle

treUniversità

diRoma,

sarannoadisposizione

perstupireicuriosiditutte

leetà

conesperim

entiedesibizionidalvivo,m

aanche

perrisponderealle

domande

sullediverse

disciplinescientifiche.M

atematica,Chim

ica,FisicaeBiologia

vilascerannoabocca

aperta.

22:00-23:30>Scuderie

Aldobrandini>LaChim

icainCasa*

Spettacolocentrale,condotto

daRiccardo

Rossi,apertoatutto

ilpubblicodella

Notte.Ilpopolareattore

epresentatore,con

l'aiutodiun

divulgatorescientifico,m

ostreràalpubblico,attraverso

esperimentiinterattivirealizzati

conmaterialidiuso

comune,com

elachim

icafaccia

partedella

nostrarealtà

quotidianapiù

diquantocrediam

o.(L’eventoèrealizzato

dallaLUDIS

conil

contributodella

“BASF-The

ChemicalCom

pany”).


Belvedere>Sun

&StarParty

Osservazioniastronomiche

contelescopiportatiliperm

ostrarealpubblico

lemeraviglie

delcielodiurno

enotturno,con

l’aiutodiricercatori

eappassionatiastrofili.

20:30>Facoltà

diScienzeMatem

atiche,FisicheeNaturali

UniversitàRom

aTre,Via

dellaVasca

Navale,84-Roma

LaNotte

europeadeiricercatorisotto

ilcielodiRom

a(Tre)

Conversazioniscientifiche,osservazioniastronomiche

eattività

handsondim

atematica

escienze.

Pertutteleiniziative

l’ingressoèlibero

*Prenotazioneconsigliata

sulsitowww.frascatiscienza.it

**Perledescrizionipiù

dettagliatedelle

varieiniziative

epergliindirizzidegli

EntidiRicercaèpossibile

fareriferim

entoalsito:w

ww.frascatiscienza.it

P R O G R A M M Awww.frascatiscienza.it

EDITORIALE

Ricercatori che lasciano il segno

E passato un anno dalla scorsa Notte Europea dei Ricercatori, la prima occasione in cui una neonataAccastampato ha avuto il suo battesimo di carta. Un anno in cui si sono succeduti i quattro numeriprevisti, con il coinvolgimento di ben 19 autori di ogni eta: studenti della triennale, dottorandi, giovaniricercatori e docenti. Un grande successo dell’iniziativa nata verso la fine del 2009 per opera di ungruppo di giovani studenti di fisica di Roma e resa possibile dall’appoggio della comunita on-line diAccatagliato e dell’omonima associazione di volontariato. Un’iniziativa con l’obiettivo dichiarato dicostruire una rete di giovani studenti e ricercatori che si impegnassero, accanto al proprio lavoro distudio e ricerca, nella comunicazione della propria passione e di quella straordinaria avventura che ela ricerca scientifica costruita giorno per giorno.

Anche quest’anno l’associazione Frascati Scienza ne ha riconosciuto e ha rinnovato il proprio impe-gno a stampare e diffondere un numero di Accastampato a tema, tutto dedicato a uno dei grandi enigmidella fisica contemporanea, ponte tra il mondo dell’infinitamente piccolo e quello dell’immensamentegrande: il neutrino. Una particella difficile, prima teorizzata per giustificare un’anomalia osservativae poi individuata con enormi difficolta. Un mattone apparentemente secondario della materia cono-sciuta, ma attorno al quale ruota la sorte stessa della teoria piu avanzata di tutto cio che conosciamo:il Modello Standard. Un protagonista indiscusso della fisica delle particelle, che ha posto sfide aifisici di tutto il mondo per almeno settant’anni e le cui proprieta piu nascoste ancora sfuggono allacomprensione. Tra masse quasi nulle, oscillazioni e interazioni debolissime, Alessandro Minotti cisvela alcune peculiarita uniche della fisica del neutrino, la cui storia e strettamente intrecciata a quel-la biografica di uno dei massimi scienziati italiani del ’900: Bruno Pontecorvo, ovvero il professorNeutrino, tratteggiato da due penne d’eccezione come Frank Close e Simone Turchetti.

La quasi evanescente esistenza del neutrino ne fa una delle entita materiali piu difficili da osserva-re e quindi studiare. Vi e un apparente paradosso nella necessita di costruire apparati sperimentaligiganteschi per intercettare la particelle piu minuta e analizzarne il comportamento e le principalicaratteristiche, ma proprio quest’inedita sfida ha richiesto di dar fondo a tutta la fantasia dei ricerca-tori per ottenere risultati affidabili: Claudia Tomei ci fa scendere nelle profondita del massiccio delGran Sasso fino a CUORE, un esperimento che come spesso accade cerca di osservare un fenomenoapparentemente proibito, il decadimento doppio beta.

Sempre nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, tra i piu grandi e importanti al mondo per questo tipodi esperimenti, si trova anche Borexino, un’enorme sfera cava d’acciaio in grado di intercettare i neu-trini provenienti dalla nostra stella, il Sole. Da autentica appassionata del proprio lavoro, MargheritaBuizza Avanzini ci racconta il mistero dei neutrini solari mancanti che ha tenuto in scacco la comunitascientifica mondiale per ben 35 anni e alla cui soluzione proprio Borexino potrebbe aggiungere gliultimi dettagli.

Ma la caccia al neutrino non si da solo sotto terra, anche le profondita marine sono utili allo scopo.Giulia De Bonis, in un affascinante tuffo nel cosmo, ci immerge nelle strutture fluttuanti di ANTARESe ci lascia intravedere la strada verso il futuro progetto KM3NeT e l’installazione di un incredibiletelescopio sottomarino di un chilometro cubo di volume.

La fuori, sopra le nostre teste, dalle zone piu remote dell’Universo, pero, non provengono solo i neutri-ni: anche le onde gravitazioni sono oggetti altrettanto sfuggenti e Irene Di Palma ci spiega come pro-prio l’osservazione congiunta di questi messaggeri dell’Universo puo fornire preziose informazionisu entrambi.

Buona lettura e buona Notte a tutti!

accastampatoRivista degli Studenti di Fisica

dell’Universita Sapienza di Romawww.accatagliato.org

[email protected]

Alessio [email protected]

Carlo [email protected]

Silvia [email protected]

Leonardo [email protected]

Erica [email protected]

Roberto [email protected]

Niccolo [email protected]

Isabella [email protected]

Massimo [email protected]

Angela [email protected]

Kristian A. Gervasi [email protected]

COMMISSIONE SCIENTIFICA

Giorgio [email protected]

Giovanni [email protected]

Fabio [email protected]

Lara [email protected]

Riccardo [email protected]

Francesco [email protected]

Antonio [email protected]

Antonello [email protected]

HANNO CONTRIBUITO

M. Buizza Avanzini, G. De Bonis, A.Cimarelli, A. Minotti, I. Di Palma, C.Tomei, F. Close.S. Turchetti.

SI RINGRAZIANO ANCHE

Donald E. Knuth, Leslie Lamport, ilTEX Users Group (www.tug.org)e Gianluca Pignalberi

Con il patrocinio del

accastampato num. 6, Settembre 2011

La fisica del neutrinoOttant’anni di sfide per carpire i segretidella particella piu sfuggente dell’Universo

Alessandro Minotti(Dipartimento di Fisica dell’Universita Sapienza di Roma)

Dagiu

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)

L’esistenza del neutrino fu postulata per la primavolta nel 1930 dal fisico austriaco Wolfgang Pau-li, uno dei padri della meccanica quantistica, perspiegare il fenomeno dello spettro continuo del

cosiddetto decadimento β. Un decadimento e un processo fisi-co nel quale una particella perde la sua natura trasformandosi inaltre particelle piu piccole. La differenza tra la massa della parti-cella che decade e la somma delle masse delle particelle prodottee trasformata in energia di queste ultime, che non sono quindi fer-me ma in movimento. Nel decadimento β un neutrone, particella

Fotone

Neutrinoelettronico

Protone

Elettrone

Neutrone

Figura 1 – Rappresentazione grafica del decadimento β. Clip art danipic.com.

che vive nei nuclei degli atomi insieme al protone, si trasformain un protone e un elettrone. Quest’ultimo, essendo molto piupiccolo dei primi due, trasporta la maggior parte dell’energia da-ta dalla differenza delle masse e quindi viene espulso a grandevelocita. Per questo motivo e l’elettrone a essere osservato neldecadimento: in questo caso prende il nome di raggio β. Possia-mo immaginare il tutto come una bottiglia di spumante che vienestappata. La bottiglia integra rappresenta il neutrone, il tappo ela bottiglia sono rispettivamente l’elettrone e il protone. Quan-do si stappa lo spumante, il tappo schizza via mentre la bottiglia,a causa del suo peso, resta praticamente ferma, come raffiguratoschematicamente in Figura 1.

Num

ero

di ele

ttro

ni

Energia dell'elettrone

Spettrodell'energiaosservato

Spettrodell'energia

atteso inassenza dineutrino

Punto finaledello spettro

Per via di questo feno-meno l’energia con cuiviene espulso l’elettro-ne nel decadimento β

dovrebbe essere sempreuguale e di poco infe-riore alla differenza dimassa tra il neutrone ini-ziale e il protone finale.Tuttavia i fisici che stu-diarono questo processoall’inizio del XX secolo notarono che le energie degli elettro-ni prodotti in queste reazioni non sono concentrate attorno a ununico valore, ma sono distribuite su un insieme ampio, cio chein fisica viene detto spettro continuo. Questo risultato si spiegafacilmente se si ammette la produzione di un’ulteriore particellaleggera come (o piu) dell’elettrone: l’energia liberata metterebbeinfatti in modo entrambe le particelle prodotte, distribuendosi inmaniera sempre diversa tra l’una e l’altra (cfr. Figura a lato). Fuproprio questa ipotesi che avanzo Pauli nel 1930.

Quest’eventuale particella deve soddisfare alcuni requisiti: esse-re elettricamente neutra, altrimenti si vedrebbe come prodotto deldecadimento assieme all’elettrone, dato che le particelle carichesono facilmente osservabili perche interagiscono elettricamentecon gli atomi della materia; essere piccola almeno quanto l’elet-trone. Per queste ragioni Enrico Fermi, che a lungo studio i de-cadimenti β, la battezzo neutrino, ovvero una versione molto pic-cola del neutrone. In realta, come venne alla luce poi, il neutrinoe una particella molto diversa non solo dal neutrone, ma anche daqualsiasi altra particella conosciuta.

6 accastampato num. 6, Settembre 2011

IL RICERCATORE ROMANO

Scoperta del neutrino

Dagli studi di Fermi del 1934 dovettero passare ben 26 anni primache il neutrino fosse effettivamente scoperto. Nel 1956, infatti,i fisici Clyde Cowan e Fred Reyes nel corso di un esperimentoeseguito presso il reattore a fissione di Savannah River, nel sud-estdegli Stati Uniti, osservarono reazioni indotte da neutrini liberi.Il motivo di questo ritardo sta nel fatto che i neutrini non solo so-no immensamente piu piccoli di neutroni e protoni, ma sono mol-to piu piccoli anche degli stessi elettroni. In effetti le masse deineutrini sono a tutt’oggi sconosciute, ma si sa per certo che nonsuperano la cinquantamillesima parte della massa dell’elettrone(o la centomilionesima parte della massa del protone e del neu-trone). Come se non bastasse, delle tre forze fondamentali dellafisica delle particelle (Forte, Debole ed Elettromagnetica), che in-sieme alla gravita costituiscono tutte le forze esistenti, i neutrinisono coinvolti solo nella piu debole delle tre (la Forza Debole ap-punto), mentre sono insensibili alle altre due. Questo fatto, oltre arendere i neutrini particelle uniche, fa sı che siano estremamentesfuggenti. Per capire l’entita di quanto detto bisogna pensare cheoccorrerebbe un ipotetico muro di piombo spesso un anno-luceper fermare solo la meta dei neutrini che lo attraversano! Com’epossibile quindi vedere queste inafferrabili particelle? La rispostae molto semplice: bisogna avere un enorme apparato sperimen-tale e tantissimi neutrini, aspettando che una piccolissima partedi essi interagisca con la materia di cui e composto l’apparato,venendo quindi osservata. E quello che fecero Cowan e Reinesmettendosi vicino a una centrale nucleare, dove vengono prodottiogni giorno miliardi di neutrini. E quello che si fa anche oggi,con fasci intensissimi di neutrini prodotti in grandi acceleratori diparticelle come quello del CERN in Europa, del Fermilab negliStati 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 so-prattutto di naturali. I neutrini vengono infatti prodotti in grandequantita nel Sole (che e in effetti un gigantesco reattore nuclea-re) o nelle esplosioni di supernovae, oppure sono prodotti nell’at-mosfera dai raggi cosmici1. Esiste inoltre un’enorme quantita dineutrini prodotti durante il Big Bang che viaggiano ancora indi-sturbati nello spazio, il cosiddetto fondo cosmico di neutrini, maanche un discreto numero di neutrini provenienti da decadimentinella roccia naturale del sottosuolo, il fondo geologico di neutrini.In verita siamo invasi dai neutrini, specialmente da quelli solari:ogni secondo, infatti, per ogni centimetro quadrato della superfi-cie terrestre (ma anche della superficie del nostro corpo) passano

1 I raggi cosmici sono particelle di vario tipo provenienti dallo spazioche interagendo con l’atmosfera possono produrne altre, creandosciami di particelle che arrivano fin sulla superficie terrestre.

Figura 2 – Aspetto tipico di un rivelatore di neutrini sotterraneo. In que-sto caso si tratta del Sudbury Neutrino Observatory in Ontario, Canada.Da interactions.org.

65 miliardi di neutrini provenienti dal Sole! Il problema di questineutrini naturali e che trasportano molta meno energia di quellida reattore. Poiche la probabilita che interagiscano con la materiadipende proprio dalla loro energia, questo fa sı che siano ancorapiu difficili da vedere, richiedendo una tecnologia molto sofisti-cata per la loro identificazione. Per questo motivo la fisica deineutrini solari ha dovuto aspettare gli anni Sessanta del ’900 pervedere la luce. Anche i neutrini del fondo cosmico, benche abbia-no un flusso molto elevato, sono a tuttora invisibili per via dellaloro bassissima energia, mentre le misure recenti sul fondo geo-logico, anch’esso di difficile rilevazione, stanno aprendo frontierepionieristiche alle ricerce sulla struttura interna della Terra.

Neutrini in vari sapori

Quanto detto finora basta per capire come i neutrini sianoparticelle uniche tra tutte quelle conosciute e perche un grandenumero di fisici influenti abbia dedicato parte della propriacarriera al loro studio, che finora e valso l’assegnazione di ben trepremi Nobel nel 1988, 1995 e 2002. Non abbiamo pero ancoraparlato del fenomeno piu particolare che caratterizza questeparticelle: 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



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 piumassiva. Si tratta di un processo del tutto analogo a quello delvecchio neutrino (che da ora sara identificato come neutrino elet-tronico), che viene prodotto insieme all’elettrone nel decadimentoβ. Nel 1975 una terza particella simile, ma piu grande di muoneed elettrone, venne scoperta e chiamata tauone (o τ) e tutti cre-dettero che sarebbe stato presto trovato il suo rispettivo neutrino,cosa che puntualmente avvenne nel 2000. La particolarita delletre famiglie di neutrini associate ai diversi leptoni (cosı vengonochiamati insieme elettrone, muone e tau) e che ogni tipo diversodi neutrino viene creato solo insieme al proprio leptone di riferi-mento e interagisce prevalentemente con esso. Il motivo di cio stanell’esistenza di due diversi tipi di interazione debole, che comeabbiamo detto e l’unica forza fondamentale che coinvolge i neu-trini: una piu probabile, detta di Corrente Carica, sensibile allafamiglia della particella; l’altra, detta di Corrente Neutra, insen-sibile alla famiglia della particella. In altre parole i neutrini diuna famiglia interagiscono con i leptoni della stessa famiglia inCorrente Carica e, meno frequentemente, con tutti e tre i leptoniin Corrente Neutra. Le tre famiglie (elettrone e neutrino elettroni-co, muone e neutrino muonico, tauone e neutrino tauonico) sonochiamate 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 indefinitoNeutrino di tipo definito

(per es. elettrone)

Figura 3 – Rappresentazione logica del fenomeno dell’oscillazione deineutrini.

Oscillazione dei neutrini

Il fenomeno dell’oscillazione del neutrino, di cui vediamo unaschematizzazione in Figura 3, si inserisce in questo contesto.Quello che si osserva e che neutrini di una famiglia durante laloro vita non restano tali, ma possono trasformarsi in neutrini diun’altra famiglia. Si tratta di un fenomeno di meccanica quan-tistica simile all’interferenza della luce, la cui comprensione harichiesto un intenso e lungo lavoro di una parte della comunitadella fisica delle particelle. Tutto comincio verso la fine degli an-ni ’60, quando alcuni fisici guidati da Raymond Davis e John Ba-hcall decisero di studiare nella miniera di Homestake, negli StatiUniti, i neutrini provenienti dal Sole. Essi notarono che il flus-so di neutrini che arrivava a terra era circa un terzo di quello chesi aspettavano dalle loro conoscenze sulle reazioni termonucleariche avvengono nel Sole, dando vita a cio che allora venne chia-mato il problema dei neutrini solari. Lo stesso risultato fu piu o

meno confermato da altri esperimenti che seguirono per indagaresui risultati di Homestake, tra cui un esperimento italiano postonei Laboratori Nazionali del Gran Sasso chiamato GALLEX.Il motivo della discrepanza che tutti riscontrarono tra numero dieventi osservati e numero di eventi aspettati risiedeva nel fatto chesi osservavano le interazioni dei neutrini del Sole con gli elettronicontenuti nei rivelatori e si era quindi in grado di vedere tutti ineutrini interagenti in Corrente Neutra, ma solo i neutrini di tipoelettronico interagenti in Corrente Carica. I neutrini prodotti nelSole sono sı tutti di tipo elettronico, ma il fenomeno dell’oscil-lazione fa sı che alcuni di essi si trasformino in neutrini muonicie tauonici, che non possono interagire in Corrente Carica con glielettroni a terra, ma solo in Corrente Neutra che, come abbiamodetto, ha una frequenza minore.Prima di ipotizzare il fenomeno dell’oscillazione del neutrinopero ci volle del tempo. Inizialmente infatti molti pensarono aerrori nel modello solare che prevedeva il numero di neutrini pro-dotti nella stella. Fu grazie all’esperimento SNO (Sudbury Neu-trino Observatoryi, visibile in Figura 2), che opero in Canada apartire dal 1999, che il problema dei neutrini solari ebbe la sua so-luzione definitiva. L’esperimento SNO, infatti, fu il primo a poterdistinguere gli eventi in Corrente Neutra da quelli in Corrente Ca-rica, mostrando che i primi erano compatibili con le ipotesi sullereazioni del Sole, mentre solo i secondi mostravano un numerominore di dati per via del cambiamento di famiglia dei neutrinielettronici del Sole, ovvero per l’oscillazione di tali neutrini.

La ricerca sui neutrini oggi

La scoperta dell’oscillazione del neutrino ha chiuso il problemadei neutrini solari, ma ha aperto dibattiti piu numerosi e comples-si. Oltre infatti alle molte questioni ancora aperte, tra cui le massedei neutrini che a tuttora restano sconosciute, si e avviata la ricer-ca dei parametri che regolano l’oscillazione, che sono molti e dinon facile determinazione. I neutrini, poi, sono un punto crucia-le per l’Astrofisica, e lo studio delle loro caratteristiche influiscesu alcune importanti questioni della cosmologia attuale. Si trattadi un panorama molto ampio che costituisce una delle principa-li linee di ricerca della fisica delle particelle elementari e di cuitroverete alcuni punti fondamentali nel seguito di questo numero.

Sull’autore

Alessandro Minotti ([email protected]) si e lau-reato in Fisica presso l’Universita Sapienza di Roma nel2009.


Il professor NeutrinoBruno Pontecorvo: la vita contraddittoria di un grande scienziato italiano

Frank Close, Simone Turchetti(Universita di Oxford e Manchester)

Di Bruno Pontecorvo (1913-1993) si sanno soprattut-to due cose. La prima e che nel Settembre 1950l’allievo del premio Nobel Enrico Fermi scomparemisteriosamente durante una vacanza in Italia. Die-

tro la sua scomparsa si cela una rocambolesca fuga verso l’Unio-ne Sovietica, proprio nel momento in cui il mondo e diviso dallaCortina di Ferro e nei paesi anglosassoni sono in corso diverseinchieste di spionaggio atomico. La seconda e che sia prima che

dopo la misteriosa fuga,Pontecorvo e uno dei po-chi esperti al mondo nellostudio dei neutrini. Questeenigmatiche particelle so-no al centro dei suoi inte-ressi di ricerca, tanto chesviluppa importanti ipote-si circa le loro interazioni.C’e quindi un fondo di iro-nia nelle vicende personalie professionali di Pontecor-vo, noto per una fuga chegli cambio la vita e per unavita dedicata alla caccia disfuggenti particelle.

Una piscina piena di cloro

Non e ben chiaro quando Pontecorvo comincio a occuparsi delneutrino. Nel 1933 Wolfgang Pauli aveva ipotizzato la sua esi-stenza per spiegare le interazioni deboli alla luce del principiodi conservazione dell’energia, mentre nel 1945 Pontecorvo avevagia indirizzato i suoi interessi in quella direzione, impegnandosiin una ricerca che lo avrebbe accompagnato per il resto della suacarriera scientifica. Proprio in quegli anni, lavorando presso lastazione nucleare di Chalk River, in Canada, Pontecorvo si reseconto di avere i mezzi giusti per iniziare a indagare. Il laboratorioera dotato del primo reattore al mondo ad acqua pesante e pro-duceva reazioni nucleari di grande intensita. Il ragionamento diPontecorvo fu molto semplice: nella zuppa di particelle veniva-no prodotti probabilmente qualcosa come 10 milioni di miliardidi neutrini al secondo. Con un po’ di pazienza e gli strumentigiusti, forse avrebbe potuto prenderne qualcuno. Ma all’epocacatturare neutrini con un rivelatore era come cercare di prende-re 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 intera-zione con la materia. Enrico Fermi aveva ipotizzato poco tempoprima, infatti, che quando un neutrino urta un nucleo, quest’ulti-mo si carica elettricamente. La cattura dell’elettrone prodotto daparte del nucleo provoca poi la trasmutazione dell’elemento. Pon-tecorvo aveva quindi pensato a un modo per verificare l’ipotesi diFermi congeniando un esperimento in cui l’interazione dei neu-trini con l’isotopo 37 del cloro avrebbe permesso la produzionedi una minuscola quantita dell’equivalente isotopo di argon. L’ar-gon radioattivo avrebbe quindi funzionato nell’esperimento comeuna specie di antenna per registrare la presenza di neutrini.

L’idea valse a Pontecorvo importanti riconoscimenti nella piccolacomunita di ricerca canadese, ma realizzarla risulto impossibile.Avrebbe avuto bisogno di una piscina contenente diversi metri cu-bi di tetracloruro di carbonio oppure alcune tonnellate di clorinaper poter sperare di ottenere qualche atomo di argon: il ritrova-mento del classico ago nel pagliaio o la vincita di un terno allotto. Quando nel 1948 Pontecorvo informo Fermi dei suoi pia-ni, il premio Nobel lo considero una sorta di Don Chisciotte inlotta con i neutrini invece che con i mulini a vento. Ma il testar-do Pontecorvo aveva capito che un elemento inerte come l’argonnon poteva reagire con altri elementi e si sarebbe potuto estrarresemplicemente attraverso ebollizione. Oppure la sua presenza po-teva registrarsi attraverso la misurazione dei livelli di radioattivita.Che avesse in parte ragione fu dimostrato tuttavia da alcuni suoicolleghi americani pochi anni dopo. Nel 1954 Raymond DavisJr. tento senza successo di rivelare l’esistenza del neutrino pressoil reattore nucleare di Savannah usando proprio il metodo con-geniato dall’italiano. Nel 1956, invece, gli scienziati americaniClyde Cowan e Frederick Reines dimostrarono finalmente l’esi-stenza dell’anti-neutrino usando un rivelatore a scintilla presso ilreattore di Hanford. Non c’e dubbio che quest’ultima scopertaebbe poco a che fare con l’intuizione di Pontecorvo, ma sia luiche Davis avrebbero potuto anticiparla se solo i reattori avesseroprodotto neutrini invece di anti-neutrini. E quando Davis uso lostesso metodo per i neutrini solari ebbe successo visto che il soleproduce neutrini e non anti-neutrini.

Va sottolineato che Davis inizio le sue ricerche pochi anni dopo lafuga di Pontecorvo in Russia, quando ancora non si sapeva dovel’allievo di Fermi fosse finito. Al tempo egli gia lavorava al centronucleare di Dubna (cfr. Figura 1), dove gli fu negata la possibilitadi usare reattori nucleari. Quando Cowan e Reines completaronole loro ricerche sull’anti-neutrino, di Pontecorvo si sapeva sola-


LE SPALLE DEI GIGANTI

Figura 1 – Un foto aerea del complesso del Joint Institute for NuclearResearch di Dubna, in Russia. Da wwwinfo.jinr.ru.

mente che viveva in Russia visto che nel 1955 aveva scritto duearticoli sulla Pravda e l’Izvestia facendo chiarezza sulla scompar-sa di cinque anni prima. Dunque le circostanze molto particolaridella sua emigrazione in Unione Sovietica ebbero un impatto nonindifferente sulle sue ricerche, visto che non pote approfondire isuoi studi in articoli di ricerca pubblicati su riviste internazionalio commentare i risultati dei ricercatori americani. Alla fine Rei-nes e Davis ricevettero il premio Nobel per le loro scoperte nel1995, mentre Pontecorvo dovette accontertarsi del premio Stalin.

Particelle con un’identita multipla

Pontecorvo continuo a occuparsi per molti anni di neutrini. Giaprima della sua partenza per l’Unione Sovietica aveva studiatoi mesoni, le particelle cariche instabili che costituiscono i raggicosmici. In Russia Pontecorvo penso quindi che il decadimentodei mesoni presentasse delle analogie con quello dei neutrini e,dato che proprio in quegli anni si era ormai compreso che i me-soni esistono in diverse tipologie (oggi meglio conosciuti comepioni, o mesoni π, e muoni, o mesoni µ), egli concluse che an-che i neutrini costituissero una famiglia di particelle (l’analogiafu poi formalizzata da Giampiero Puppi). Anche in questo casotuttavia, Pontecorvo non riuscı mai a dimostrare le sue ipotesi. Ilcentro di Dubna non era dotato di adeguati strumenti di ricercaper investigare le differenze tra i diversi tipi di neutrini e quandoPontecorvo chiese di poter partecipare alle ricerche di altri grup-pi europei che disponevano di tali strumenti, come il CERN adesempio, gli fu sempre negata questa possibilita. Furono quindiMel Schwartz, Jack Steinberger e Leon Lederman, negli anni Set-tanta, a provare l’esistenza di diverse varieta di neutrini attraversoun esperimento con l’acceleratore del laboratorio americano diBrookhaven. E anche loro ricevettero il premio Nobel nel 1988per queste ricerche.

Nel frattempo Davis si concentro sui neutrini solari con risultatipiuttosto contraddittori. Notando la discrepanza fra il numero dineutrini solari prodotti dal Sole previsti dalla teoria e quelli cheera possibile registrare sulla Terra, egli concluse persino che ilSole stava per esaurire il suo carburante: il presagio di un im-minente disastro cosmico! Oggi sappiamo che il Sole non avevacolpa per lo strano fenomeno ed erano invece proprio i neutri-ni a esserne responsabili, visto che nel viaggio dal Sole alla Terracambiano sapore. In realta gia nel 1968 lo scienziato nato in Italiae residente in Russia offrı una scappatoia al problema dei neutrinisolari, che invece avrebbe occupato Davis per un altro decennio.Insieme al suo collega Vladimir Gribov, infatti, Pontecorvo ipo-tizzo che il Sole produceva prevalentemente neutrini elettronici,gli stessi rivelabili attraverso il metodo cloro-argon. Se avesseroviaggiato nella stessa forma fino alla Terra, se ne sarebbe potutanaturalmente rivelare la presenza circa otto minuti dopo la loroemissione, ma secondo i due ricercatori la gran parte di questineutrini cambiava stato nel tragitto, diventando neutrini muoni-ci, in una forma in cui non potevano essere rivelati con lo stessometodo. Solo quei pochi che rimanevano elettronici nel tragittofinivano dunque nella trappola di Davis. Pontecorvo aveva in-somma intuito che i neutrini solari hanno una sorta di disturbodella personalita e cambiano identita nel viaggio dal Sole alla Ter-ra. Un’intuizione che pero non ricevette supporto all’interno dellacomunita dei fisici, anche perche al tempo contraddiceva la teoriastandard sulle particelle elementari. Gribov e Pontecorvo, infatti,avevano anche capito che le leggi della meccanica quantistica au-torizzano il neutrino a oscillare da uno stato all’altro solo a pattoche si rimetta in discussione l’assunto secondo cui il neutrino nonabbia 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’istitu-to per le ricerche nucleari russo in una foto del 2005. Da www.awa.tohoku.ac.jp.


LE SPALLE DEI GIGANTI

Cosı nel corso degli anni Settanta partı la caccia al neutrino sola-re. Nel 1974 Pontecorvo e tre suoi colleghi annunciarono l’inten-zione di costruire un tunnel sotto il Caucaso lungo 4 chilometricome sede di un nuovo laboratorio per i neutrini contenente unavasca con 2 milioni di litri di clorina, cioe circa cinque volte piugrande di quella usata da Davis. Per catturare tutti i neutrini so-lari, Pontecorvo penso di usare il gallio, che, a differenza del clo-ro, consente la cattura anche di quelli di minor energia. MoisseyMarkov, direttore della sezione di fisica nucleare dell’Accademiadelle Scienze sovietica, fu entusiasta del progetto e aiuto Ponte-corvo a realizzare l’osservatorio dei neutrini di Baksan (cfr. Figu-ra 2). Gli effetti dell’avvio di quest’avventura furono molteplici,sia a breve che a lungo periodo. Le sessanta tonnellate di gallionecessarie per l’esperimento prosciugarono tutte le risorse al tem-po disponibili sulla Terra. Uno studio cosı innovativo stimolo ladistensione fra superpotenze. Il Soviet American Gallium Expe-riment (SAGE) fu successivamente rinominato come esperimentorusso dopo il crollo dell’impero sovietico, ma l’acronimo rimase.L’uso del gallio caratterizzo negli anni Novanta anche l’esperi-mento GALLEX, sviluppato da un consorzio europeo e capaceper la prima volta di rivelare i neutrini primari prodotti dal Sole.Solo nel 2000 il mistero dei neutrini solari fu risolto, prima conl’osservazione dei neutrini muonici e dopo con lo studio dellecascate di neutrini prodotte dai raggi cosmici che consentironodi avere la certezza della loro oscillazione. Davis fu protagoni-sta e testimone di queste straordinarie scoperte e morı nel 2006.Purtroppo anche in questo Pontecorvo arrivo prima di altri ri-cercatori: morı nel 1993 malato del morbo di Parkinson e nonpote quindi assistere alle imprese scientifiche che confermaronoclamorosamente alcune delle sue mirabili ipotesi.

L’eredita di Pontecorvo

Gli uomini di scienza in genere si ricordano per quello che hannofatto e non per quello che non sono mai riusciti a fare. Per Pon-tecorvo pero bisognerebbe fare un’eccezione, se non altro per-che i suoi studi erano davvero meritevoli di un premio Nobel,com’e dimostrato dal fatto che tutti coloro che si misero alla cac-cia dei neutrini seguendo intuizioni simili alle sue ne ottennerouno: Schwartz, Steinberg e Lederman nel 1988, Reines nel 1995e Davies nel 2002. Con il senno del poi si potrebbe anche direche Pontecorvo aveva avuto ragione due volte sui neutrini. Laprima quando aveva individuato il metodo giusto per rivelare ineutrini solari. La seconda quando aveva mostrato che proprioquel metodo non avrebbe consentito a Davis di registrarli tutti acausa della loro oscillazione. Ma che avesse ragione lo sapeva-no in pochi visto che i risultati delle sue ricerche furono spessoignorati. Le straordinarie circostanze della vita e della carrieradi Pontecorvo furono in parte la causa di questa situazione para-dossale. In Unione Sovietica non disponeva dei mezzi necessariper completare le sue ricerche sui neutrini e mentre altri rivelava-

no l’esistenza dell’enigmatica particella, Pontecorvo era ancoraufficialmente scomparso. Dopo la sua ricomparsa egli proposeipotesi convincenti circa l’oscillazione dei neutrini, ma si trattavadi congetture fin troppo innovative e, come spesso accade, furo-no accolte con indifferenza. Ma interpretando i neutrini solaricome particelle che non seguono le convenzioni, un po’ eccentri-che, propense al cambio di identita, Pontecorvo dimostro la suaopposizione a un approccio dogmatico alla ricerca e l’intenzionedi rimettere in discussione anche principi della fisica assodati. Echissa se in questa sua intepretazione non ci fosse anche un qual-cosa di autobiografico, essendo stato lui stesso un po’ eccentricoe avendo oscillato pericolosamente tra l’Occidente capitalista e ilComunismo 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 scientificworks. 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 leptoncharge. In Physics Letters B, vol. 28(7):493–496 (1969)

Sull’autore

Frank Close ([email protected]) e pro-fessore di fisica presso l’Universita di Oxford e autore di nu-merosi saggi di fisica delle particelle tra cui il recente “Neu-trino” (Oxford University Press, 2010) e il volume “Anti-materia” (Einaudi, 2009, traduziona italiana a cura di Gior-gio P. Panini). Simone Turchetti ([email protected]) e ricercatore presso l’Universita diManchester e autore del saggio “Il Caso Pontecorvo” (Siro-ni Editore, 2007) di prossima pubblicazione in inglese (“ThePontecorvo Affair”, University of Chicago Press, 2011).


Cuor di neutrinoPassione e determinazione per sollevare il velo del decadimento doppio beta

Claudia Tomei(INFN di Roma)

Ogni volta che sento parlare di un nuovo risultatosperimentale sulla fisica del neutrino, mi viene inmente quando nel 1998 all’Universita dell’Aquilaseguivo il corso di Fisica delle Particelle. Ho co-

nosciuto qui il neutrino e ho percepito l’enorme interesse e l’en-tusiasmo dei fisici per questa elusiva particella: erano gli anni incui si cominciava a parlare con convinzione delle oscillazioni dineutrini, oggi ormai universalmente accettate dalla comunita spe-rimentale, e si progettavano nuovi e ambizioni esperimenti cheoggi hanno gia esaurito con successo il loro programma di ricer-ca, lasciando spazio a progetti ancora piu avanzati. Nonostantel’enorme sforzo sperimentale messo in campo, i grandi progressie i successi raggiunti, a tanti anni di distanza il neutrino nascondeancora molti misteri e le domande ancora aperte intrigano i fisicie li spingono ad andare sempre piu a fondo.

Il protagonista di questo articolo si chiama CUORE, un esperi-mento che spingera al limite la tecnologia allo scopo di scopri-re il decadimento doppio beta: un decadimento rarissimo, finoramai osservato, che getterebbe nuova luce sulle proprieta ancorasconosciute di questa elusiva particella chiamata neutrino.

I tre segreti del neutrino

Nella storia della fisica delle particelle e spesso successo che par-ticelle nuove venissero scoperte durante gli esperimenti e poi stu-diate e classificate fino a trovare posto in una determinata teoria.Per il neutrino e successo il contrario: la sua esistenza e stata pri-ma ipotizzata teoricamente e poi, dopo quasi trent’anni, finalmen-te provata sperimentalmente. Tuttavia il neutrino presenta ancoradegli aspetti che sfuggono all’osservazione dei fisici e che impe-discono una sua precisa descrizione teorica. I tre segreti anco-ra nascosti del neutrino sono quelli che i fisici piu ostinatamentecercano di svelare.

Massa e oscillazioni

Nel Modello Standard1 il neutrino e privo di massa, ma negli ul-timi decenni i risultati di molti esperimenti hanno mostrato cheuna massa deve pur averla, per quanto piccolissima. Si e infattiosservato che i neutrini possono cambiare sapore durante il loro

1 Si tratta della teoria che attualmente descrive le interazioni elettro-magnetica, nucleare forte e debole di tutte le particelle elementariconosciute.

cammino dalla sorgente al rivelatore. La scoperta delle oscillazio-ni di sapore e stata di fondamentale importanza e questo spiegaanche l’eccezionale sforzo sperimentale messo in campo dai fisi-ci di tutto il mondo per poter investigare questo fenomeno. Daglianni ’90 diverse generazioni di esperimenti si sono cimentate nel-lo studio delle oscillazioni, ciascuna aggiungendo un piccolo ogrande pezzo all’intricato puzzle. Questo fino ai giorni nostri, do-ve ormai la conoscenza del meccanismo delle oscillazioni e quasicompleta. La probabilita per un neutrino di oscillare da un saporeall’altro dipende dalla differenza delle masse al quadrato, quindiper poter oscillare i neutrini devono esserne dotati. Allo stessotempo pero gli esperimenti che hanno rivelato le oscillazioni disapore hanno potuto solo misurare queste differenze di massa alquadrato, ma non il loro valore assoluto. Per questo serve unamisura indipendente che prescinda dalle oscillazioni e che si ri-ferisca a un diverso fenomeno fisico, per esempio il decadimentobeta semplice oppure il decadimento doppio beta.

La gerarchia

Sempre dai risultati delle oscillazioni sappiamo che dei tre neu-trini, due (che vengono indicati convenzionalmente con m1 em2) hanno una differenza di massa molto piccola, dell’ordine di10−2 eV2, mentre la massa del terzo differisce da quella degli altridue di un valore circa cinque volte maggiore. Resta pero da capirese quest’ultimo, definito convenzionalmente m3, sia il piu pesanteo il piu leggero. Nel primo caso si parla di gerarchia diretta dellemasse, perche hanno un ordine crescente come m1, m2 e m3, nelsecondo caso si parla di gerarchia inversa.

L’antineutrino

La scoperta di una massa del neutrino diversa da zero ha costret-to i fisici a rivedere il Modello Standard aggiungendo una massaper i neutrini e per gli antineutrini. Essendo il neutrino un fer-mione, cioe una particella di spin semi-intero come l’elettrone,un modo di descriverlo sarebbe secondo la teoria di Fermi in cuineutrino e antineutrino sono due particelle distinte. Tuttavia il fi-sico Majorana ha ipotizzato la possibilita per il neutrino di esserel’antiparticella di se stesso. Questo e possibile solo se il neutrinoe massivo e ora sappiamo che lo e: molti fisici teorici sostengono

2 In fisica delle particelle e conveniente misurare le masse medianteunita di misura di energia, sfruttando l’equivalenza massa-energiadella relativita speciale: 1,0 eV∼ 1,6×10−22 g



che l’ipotesi di Majorana garantirebbe la descrizione piu naturaledel neutrino massivo all’interno del Modello Standard.

Il decadimento doppio beta

Nel 1939 F. Furry stabilı chel’esistenza del neutrino di Ma-jorana implicava la possibilitache si verificasse un processoche battezzo con il nome di de-cadimento doppio beta. Co-me mostrato nella Figura a la-to, il decadimento beta sempli-ce produce un protone, un elet-trone e un antineutrino. E tuttavia possibile anche il processoinverso: un neutrino collide con un neutrone che emette un pro-tone e un elettrone. Se il neutrino e l’antineutrino sono la stessaparticella, allora l’antineutrino prodotto dal primo decadimentobeta potrebbe a sua volta (nelle vesti di un neutrino) collidere conun neutrone ed emettere un altro protone e un secondo elettro-ne. Complessivamente l’effetto del decadimento doppio beta equello di trasformare due neutroni del nucleo in due protoni conl’emissione di due elettroni senza che compaia alcun neutrino.Il decadimento doppio beta senza neutrini non e mai stato osser-vato sperimentalmente. E stato invece osservato il processo simi-le, denominato decadimento doppio beta con emissione di neutri-ni, in cui un nucleo per cui il decadimento doppio beta semplicenon e permesso per ragioni energetiche effettua invece due deca-dimenti beta contemporaneamente, con l’emissione di due elet-troni e due neutrini. A dispetto della somiglianza tra i due pro-cessi le differenze dal punto di vista teorico sono fondamentali.Perche il decadimento doppio beta accada il neutrino deve esseredi Majorana e dunque dotato di massa: questo decadimento nonpuo accadere all’interno della teoria del Modello Standard. Il de-cadimento doppio beta con emissione di neutrini, per quanto raro,e invece perfettamente ammissibile e non necessita di un neutrinodotato di massa per accadere. Fino a oggi e stato osservato speri-mentalmente per diversi nuclei con una frequenza dell’ordine diun evento ogni 1020 anni.L’osservazione sperimentale del decadimento doppio beta senzaneutrini fornirebbe in un solo colpo la risposta alle tre domandeancora aperte che abbiamo descritto prima. Misurando il tem-po caratteristico di questo decadimento (una volta osservato) sipuo ricavare il valore della cosiddetta massa di Majorana ovverouna combinazione lineare dei tre autostati di massa dei neutrini.La misura della massa di Majorana fornirebbe una misura diret-ta della scala di massa del neutrino, distinguerebbe il caso dellagerarchia inversa dal caso della gerarchia diretta delle masse e in-fine proverebbe la natura di Majorana del neutrino. Non c’e dastupirsi che i fisici ritengano questa scoperta una delle sfide piuimportanti della moderna fisica delle particelle.

La battaglia per il fondo zero

L’osservazione sperimentale del decadimento doppio beta senzaneutrini sarebbe quanto di piu semplice ci si possa augurare infisica delle particelle. I due elettroni emessi nello stato finale por-tano via infatti tutta l’energia della transizione, che si chiama Q-valore ed e semplicemente la differenza tra la massa del nucleopadre e quella del nucleo figlio. Se i due elettroni vengono ri-velati entrambi danno luogo a un segnale proprio all’energia delQ-valore, nota per ogni nucleo. L’approccio piu semplice e dun-que di concepire un rivelatore che contenga al suo interno gran-di quantita di materiale emettitore doppio beta3 e attendere perun tempo sufficientemente lungo fino a evidenziare un picco dieventi all’energia del Q-valore del nucleo scelto. Data la bassis-sima probabilita prevista in questo caso, in media inferiore a unevento ogni 1024 anni, avere a disposizione una grande massa enecessario per avere un ragionevole numero di eventi (diciamocirca 10) nel tempo di vita tipico di un esperimento (5÷10 anni).La realta purtroppo e assai piu complicata del semplice scenarioche abbiamo illustrato a causa del problema del fondo, ovvero ditutti quegli eventi che potrebbero dare un segnale indistinguibi-le da quello degli elettroni emessi nel decadimento doppio beta,pur essendo di natura completamente diversa. Nel nostro caso sitratta di decadimenti radioattivi4 di materiali vicini ai rivelatorioppure interazioni di particelle provenienti dall’ambiente in cui ilrivelatore si trova a operare. E facile capire che se nella regionedi energia in cui aspettiamo il nostro segnale siamo sommersi dafondo di altra natura, osservare pochi eventi sarebbe come cercaredi captare le note di un violino all’interno di uno stadio di calcioal momento del gol. Le strategie per combattere il fondo sonosostanzialmente due: schermi di materiali pesanti posti tutt’in-torno al rivelatore in modo da assorbire le particelle provenientidall’esterno (muoni cosmici, neutroni, radioattivita ambientale) escelta di materiali il piu possibile radiopuri per la costruzione diogni singola parte dell’esperimento, con la massima attenzionealle parti in stretto contatto con i rivelatori. Finora gli esperimentiper la rivelazione del decadimento doppio beta hanno raggiuntolivelli di fondo dell’ordine di un conteggio ogni 5 kg, per keV eper anno, ma per poter spingere la sensibilita degli esperimentifuturi fino a testare i valori della massa suggeriti dagli esperimen-ti sulle oscillazioni di neutrini bisogna almeno ridurre il fondo diun fattore 20, uno sforzo tecnico assolutamente non banale, vistii livelli di partenza gia eccezionalmente bassi.

3 Questo approccio in cui la sorgente del decadimento e il rivelatorecoincidono si dice calorimetrico ed e quello utilizzato nell’esperi-mento CUORE. Esiste anche l’approccio diverso in cui il materia-le emettitore e contenuto in fogli sottili che vengono affacciati arivelatori traccianti in grado di rivelare gli elettroni emessi.

4 Sono fenomeni estremamente comuni che avvengono quando unnucleo atomico e instabile e decade. In un normale mattone da unchilo avvengono circa 1200 decadimenti al secondo!



L’esperimento CUORE

L’esperimento CUORE sara costituito da 988 cristalli di ossido ditellurio sistemati in 19 torri di 13 piani, ciascuno contenente quat-tro rivelatori tenuti insieme da cornici di rame ultrapuro (cfr. il ri-quadro in basso a destra della Figura 1). L’intero sistema di torrie contenuto all’interno di un refrigeratore a diluizione, una speciedi enorme frigorifero capace di raffreddare l’apparato a una tem-peratura di∼ 10 mK, ovvero di soli 10 millesimi di grado sopra lozero assoluto (cfr. Figura 1). I cristalli di ossido di tellurio, ognu-no delle dimensioni di 5×5×5 cm3, contengono al loro internoun isotopo naturale del tellurio, il Te130, che e uno dei nucleiemettitori doppio beta, con un Q-valore dell’ordine di 2530 keV.La massa totale del sistema di rivelatori sara dell’ordine di 740 kg,di cui 204 kg di Te130. I cristalli funzionano come bolometri,ovvero rivelatori di particelle che sfruttano come meccanismo dirivelazione l’innalzamento di calore prodotto da una particella ca-rica che attraversa un materiale assorbitore. Uno speciale sensoredi calore detto termistore, fatto di germanio e incollato alla su-perficie del cristallo, trasforma il segnale di calore in un segnaleelettrico rilevabile. L’innalzamento di calore dovuto al passaggiodi una particella carica e molto piccolo, dell’ordine di 200 µKper MeV di energia rilasciata dalla particella, ma se la capacitatermica del materiale assorbitore e sufficientemente piccola, se latemperatura del bolometro e sufficientemente bassa e se il sensoreche rivela la temperatura e sufficientemente sensibile e possibileraccogliere, amplificare e rivelare il segnale con ottima efficienza.I rivelatori bolometrici basati sull’ossido di tellurio sono usati consuccesso da decenni per la ricerca del decadimento doppio betadel Te130 e la loro affidabilita e tale che l’esperimento CUORE,prosecuzione naturale degli esperimenti passati, e stato approva-to ed e attualmente in costruzione presso i Laboratori Nazionalidel Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN),

Figura 1 – Schema della struttura di CUORE, con in evidenza tutti gliaccorgimenti per ridurre al minimo il rumore ambientale.

scavati accanto a una delle gallerie autostradali che attraversanola montagna del Gran Sasso, in Abruzzo. Questi luoghi costi-tuiscono un ambiente ideale per la ricerca di eventi rari come ildecadimento doppio beta. La roccia della montagna (uno spesso-re equivalente a piu di 3500 m di acqua) assorbe le particelle diorigine cosmica creando la condizione di silenzio cosmico e ri-ducendo drasticamente il contributo al fondo dovuto all’ambienteesterno. Oltre allo schermo della montagna, CUORE e dotato diuna ulteriore schermatura, necessaria per limitare al massimo ilfondo dovuto alla radioattivita ambientale residua presente all’in-terno del laboratorio. Questo schermo e composto nello strato piuesterno da polietilene borato, che modera e assorbe efficacementei neutroni, e successivamente da piombo, posizionato sia all’e-sterno che all’interno del refrigeratore. In particolare il piomboposizionato piu vicino ai rivelatori, all’interno del refrigeratore adiluizione, e stato donato all’esperimento CUORE dalla Soprain-tendenza Archeologica di Cagliari: proviene infatti dalla stiva diuna nave romana affondata nelle vicinanze della costa sarda chel’INFN ha contribuito a recuperare (cfr. il riquadro in alto a destradella Figura 1). Il piombo infatti rappresenta un materiale idealeper la schermatura della radioattivita, per la sua densita e il nume-ro atomico elevato, pero presenta un grave problema: la presenzadi un isotopo radioattivo naturale, il Pb210, che contribuisce alfondo naturale. Fortunatamente il Pb210 si dimezza ogni 22 annicirca, quindi in lingotti di piombo che riposano da secoli in fondoal mare si puo considerare praticamente scomparso.Attualmente l’esperimento CUORE e in fase di allestimento e lasua 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 MixedNeutrinos, vol. 817. Springer Verlag (2010)[9] Barabash A. 75 years of double beta decay: yesterday, todayand tomorrow URL http://arxiv.org/abs/1101.4502[10] Fiorini E. Neutrino physics with cryogenic detectors. InProgress in Particle and Nuclear Physics, vol. 64(2) (2010)

Sull’autore

Claudia Tomei ([email protected]) ericercatrice presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare,Sezione di Roma. Ha lavorato presso i Laboratori Nazionalidel Gran Sasso (dottorato e post-doc), collaborando a due di-versi esperimenti per la rivelazione del decadimento doppiobeta. Dal 2007 e membro della collaborazione CUORE.


BorexinoStudiare il Sole. . . sotto terra!

Margherita Buizza Avanzini(Universita degli Studi di Milano – Laboratorio APC di Parigi – Laboratori del Gran Sasso)

Milano, Universita degli Studi, Dipartimento di Fi-sica. Maggio 2005. In aula una ventina di stu-denti aspettano di cominciare il terzo modulo delcorso di Introduzione all’Astrofisica. Oggi si co-

mincia un argomento nuovo: “Neutrini, i messaggeri dallo spa-zio”. Entra il prof. Pizzochero: di quest’uomo colpiscono subi-to l’energia, la passione con cui carica le parole, le spiegazioni.Pendo dalle sue labbra. Tutto quello che dice e meraviglioso, af-fascinante, mi incuriosisce tremendamente. Ascolto avida ognisillaba, scrivo paginate di appunti, mi entusiasmo per ogni cosanuova che sento. Fine della lezione. Esco dall’aula un po’ stor-dita. Non ho perso una parola, non ho saltato un passaggio. Lastessa scena si ripete per altre quattro lezioni e alla fine del ciclosui neutrini sono palesemente innamorata. Ma non del professore(forse. . . ), bensı di quello che mi ha fatto scoprire.

Il neutrini solari

Le caratteristiche salienti dei neutrini sono fondamentalmente tre:massa piccolissima (milionesimi di quella dell’elettrone), nessunacarica elettrica e pochissima capacita di interazione con la mate-ria. Cio rende i neutrini delle particelle alquanto singolari, miste-riose e quasi invisibili. Chiariamoci, ovviamente l’occhio umanonon puo letteralmente vedere le particelle elementari: non si ve-dono nemmeno al microscopio. Pero esiste quasi sempre un mo-do di osservare indirettamente queste particelle, studiando cio cheesse producono quando interagiscono con la materia. Nel caso deineutrini anche questo e difficile1.Ma andiamo con ordine. Perche neutrini solari? I neutrini ven-gono prodotti in diversi tipi di reazioni, tra cui anche quelle difusione nucleare che avvengono nel Sole. E grazie a queste rea-zioni che il Sole brucia l’idrogeno (H) di cui e per lo piu costituitoe lo trasforma in elio (He). Questi processi producono energia eper questo il Sole ci scalda. La trasformazione di H in He none diretta, ma avviene attraverso una serie di reazioni intermedie,durante le quali vengono prodotti i neutrini solari. A seconda del-la reazione che li ha prodotti, i neutrini prendono nomi diversi.Per esempio, ci sono i neutrini da Berillio (7Be), da Boro (8B),

1 In un certo senso dovremmo dire per fortuna visto che siamo peren-nemente bersagliati da miliardi di neutrini che vengono dal Sole!Il loro flusso e infatti di circa 1011 cm−2 s−1, il che significa chequando vi sdraiate siete trapassati da circa 5× 1015 neutrini al se-condo! E questo anche se vi nascondete in cantina, in una grotta oal centro della Terra!

dalla reazione protone+elettrone+protone (pep) e cosı via. Te-nete presente che i neutrini prodotti dal Sole sono solo di tipoelettronico2.

Il Modello Solare Standard

Il Sole e la stella piu vicina alla Terra ed e quindi quella che cono-sciamo meglio. Basandosi su misure di massa, luminosita, tem-peratura, raggio, ecc. e possibile capire da cosa precisamente ecostituito il Sole, prevedere con modelli teorici come evolvera estimare quanti e quali neutrini (da 7Be, da 8B, ecc.) vengono pro-dotti e con quale energia. Dagli anni Sessanta il modello solarepiu gettonato e il Modello Solare Standard (SSM). In Figura 1potete vedere le previsioni per il flusso in funzione dell’energiadei vari tipi di neutrini. Soffermatevi a considerare le due righeverticali (significa che sono monoenergetici) dei neutrini da 7Bee pep e la curva (non sono monoenergetici) dei neutrini da 8B.Una volta verificata la possibilita di rivelare i neutrini solari [11],si e naturalmente pensato di usarli per verificare la correttezza delSSM, con molti vantaggi rispetto al solo uso dei fotoni. Avendomassa piccolissima e interagendo poco con la materia, in circa ot-to minuti i neutrini che sono prodotti al centro del Sole arrivano anoi. Forse la cosa non vi sembra cosı entusiasmante, ma lo diven-ta certamente se pensate che la luce, prodotta anch’essa al centrodel Sole, impiega 10 mila anni per raggiungerne la superficie!Benche i neutrini interagiscano molto poco con la materia, l’u-nico modo per vederli e comunque cercarne le interazioni con lealtre particelle. In primo luogo bisogna avere rivelatori di gran-de massa, in modo da aumentare la probabilita di interazione. Insecondo luogo bisogna proteggersi dai raggi cosmici che vengo-no dall’atmosfera, per evitare falsi segnali: l’unico modo e andaresotto terra, dove il flusso dei raggi cosmici e fortemente abbattuto.E infine bisogna proteggersi dalla radioattivita naturale, utilizzan-do 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 costrui-to un rivelatore di neutrini elettronici nella miniera di Homesta-ke, in South Dakota, gia nel 1965. Il risultato di quella misuracauso un certo stupore: il flusso di neutrini misurato era circa un

2 Questo e abbastanza intuitivo se pensate che l’elettrone fa parte del-la materia ordinaria, quella che ci circonda quotidianamente. Con-siderando che l’e− fa coppia con il νe e facile capire che in reazio-ni in cui e coinvolta la materia ordinaria (come H o He) venganoprodotti νe e non neutrini di altri sapori.



Figura 1 – Previsioni per il flusso in funzione dell’energia dei vari tipi dineutrini solari in base al Modello Solare Standard. Da [12].

terzo di quello atteso in base al SSM! Subito ci si preoccupo diverificare che non ci fossero inefficienze di rivelazione. Scartata,insieme a questa ipotesi, anche la possibilita che il SSM fosse am-piamente sbagliato3, non restava che rivedere la teoria del neutri-no. Ed e qui che questa particella passo dall’essere oggetto-sondadell’interno del Sole a oggetto di studio vero e proprio.

Le oscillazioni di neutrino

Il fisico italiano Bruno Pontecorvo aveva gia ipotizzato nel ’57che i neutrini non avessero massa nulla e cosı elaborato una teo-ria in base alla quale e possibile che i neutrini cambino saporementre si propagano. Cio significa che i neutrini nati come νe

nel Sole possono trasformarsi durante il viaggio verso la Terra inνµ o ντ. Si parla di oscillazioni di neutrino perche e come se ineutrini oscillassero l’uno nell’altro4. Vennero quindi progettatialtri esperimenti per la misura del flusso dei neutrini solari conla possibilita di rivelare i neutrini in tempo reale, il che significamisurare l’energia e la posizione di ogni interazione di neutrino,cosa impossibile a Homestake. L’esperimento che segno la svol-ta fu il Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Canada: grazieall’osservazione di diverse interazioni, SNO era in grado di ri-velare tutti i tipi di neutrino e di distinguere, tra essi, i νe. Nel2001 SNO diede conferma di quanto ipotizzato [13]: il flusso to-tale (νe+νµ+ντ) corrisponde a quello effettivamente predetto dal

3 Le previsioni del SSM erano perfettamente in accordo con le misuredella eliosismologia, una disciplina che studia la propagazione delleonde sonore nel Sole.

4 Cio significa che il νe diventato νµ puo ridiventare νe successiva-mente.

SSM, ma il numero di νe da 8B rivelati a Terra e circa un terzodel totale. Cio significa che circa il 60% dei νe prodotti nel Solesono oscillati in un altro sapore.

L’esperimento Borexino

L’esperimento Borexino nasce con lo scopo di rivelare per la pri-ma volta in tempo reale i neutrini del 7Be, impresa non da pocose si pensa che hanno energia di 0,86 MeV e che gli altri espe-rimenti in tempo reale hanno normalmente, per cause di forzamaggiore, una soglia energetica intorno ai 5 MeV (cfr. Figura 1).Chiaramente anche Borexino e schermato da metri di roccia (perla precisione da 3,8 km di acqua equivalente) sotto la montagnadel Gran Sasso, in centro Italia: i Laboratori Nazionali del GranSasso, infatti, sono i piu grandi laboratori sotterranei attualmen-te esistenti e ospitano vari esperimenti sui neutrini, sulla materiaoscura e sull’astrofisica nucleare.

Ma la vera forza di Borexino sta nell’accuratezza della scelta deimateriali per costruire il rivelatore e soprattutto nella loro succes-siva purificazione. Sono state impiegate numerosissime tecnicheinnovative per pulire i materiali (si parla di radiopurezza) in mododa eliminare il maggior numero di contaminanti presenti5. Il rive-latore e anche costruito in modo da fungere da ulteriore schermocontro la radiazione della roccia o i raggi cosmici che sopravvivo-no sottoterra. Come vedete in Figura 2, Borexino ha una strutturache possiamo dire a cipolla per proteggere il cuore del rivelato-re, creando un ambiente pulito in cui le interazioni di neutrinodi bassa energia possano essere rivelate. Grazie a questo enormesforzo per la purificazione, la soglia energetica di Borexino e dicirca 0,25 MeV, ovvero circa un ventesimo di quella standard pergli altri esperimenti in tempo reale!

Procedendo dall’esterno della struttura, troviamo una tanica d’ac-qua ultra pura che contiene una sfera di acciaio inossidabile den-tro cui si trova un liquido detto buffer. Scopo di acqua e buffere fermare le particelle di fondo (ovvero non neutrini) che minac-ciano di entrare nel vessel. Il vessel e cio che contiene la partesensibile del rivelatore, lo scintillatore liquido. Come dice il no-me stesso, questo materiale, costituito da idrocarburi (una sortadi petrolio, per intenderci), scintilla. Quando un neutrino urtaun elettrone degli atomi dello scintillatore, viene prodotta energia(come in un qualunque tipo di urto). Nei materiali scintillanti l’e-nergia viene trasformata in luce che viene rivelata dai cosiddettifotomoltiplicatori (attaccati alla sfera di acciaio), capaci di tra-sformare la luce in un segnale elettrico. E questo segnale che con-tiene l’informazione sull’evento, cioe 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 perBorexino, 1,2×10−7, ovvero l’acqua di Borexino e diecimila voltepiu pulita di quella che beviamo quotidianamente!



Figura 2 – Rappresentazione grafica del rivelatore Borexino, situatonella Hall C dei LNGS. Da www.lngs.infn.it.

l’interazione ed energia rilasciata, questa direttamente connessaall’energia del neutrino incidente.Borexino ha cominciato a prendere dati nel Maggio 2007 e gianell’Agosto di quell’anno abbiamo pubblicato i primi risultati suineutrini da 7Be. Nel corso degli anni questa misura e diventata viavia piu precisa, fino alla recentissima sottomissione dell’articolo[14] nel maggio scorso.Con Borexino siamo anche riusciti (e di cio vado particolarmen-te orgogliosa, dato che ci ho lavorato personalmente) a misurareil flusso dei neutrini da 8B con la soglia piu bassa mai raggiuntada esperimenti in tempo reale: una soglia a 3 MeV [15]. Ab-bassare la soglia di rivelazione dei ν da 8B significa avvicinarsi auna zona ancora inesplorata delle oscillazioni dei neutrini solari,quella delle energie intermedie. Risulta chiaro che questa regionerimane tuttora un po’ misteriosa. Ma stiamo gia lavorando perquesto: attualmente in Borexino stiamo cercando di abbassare lasoglia di rivelazione dei ν da 8B a 2 MeV (mi ci sono dedicata pertutto il dottorato) e di rivelare i neutrini da pep, che come ricor-derete dalla Figura 1, la cui energia sta esattamente nella regioneinesplorata. 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) knowtheoretically 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 Confirma-tion. In Science, vol. 124(3212):103–104 (1956)[16] Davis Jr R. et al. Search for neutrinos from the sun. In Phy-sical Review Letters, vol. 20(21):1205–1209 (1968)[17] Mikheev S. e Smirnov A. Neutrino oscillations in a mediumwith variable density. In Soviet Physics Uspekhi, vol. 29 (1986)[18] Wolfenstein L. Neutrino oscillations in matter. In PhysicalReview D, vol. 17(9):2369 (1978)[13] Ahmad Q. et al. Measurement of the Rate of νe+d→p+p+e−

Interactions Produced by 8B Solar Neutrinos at the Sudbury Neu-trino Observatory. In Physical Review Letters, vol. 87(7) (2001)[14] Bellini G. et al. Precision measurement of the 7Be solar neu-trino interaction rate in Borexino. In arXiv (apr. 2011). URLhttp://arxiv.org/abs/1104.1816

[15] Bellini G. et al. Measurement of the solar 8B neutrino ratewith a liquid scintillator target and 3 MeV energy threshold inthe Borexino detector. In Physical Review D, vol. 82(3) (2010)[19] Serenelli A. New Results on Standard Solar Models. InarXiv (ott. 2009). URL http://arxiv.org/abs/0910.

3690v1

[20] Holanda P. e Smirnov A. LMA MSW solution of the so-lar neutrino problem and first KamLAND results. In Journal ofCosmology and Astroparticle Physics (2003)

Sull’autore

La passione di Margherita ([email protected]) per i neutrini e iniziata nel 2005 ed e proseguitafino a oggi attraverso diverse tappe: tesi di Laurea Triennale(ottobre 2005) sulla teoria delle oscillazioni dei neutrini so-lari, tesi di Laurea Magistrale sulla misura dei neutrini solarida 8B in Borexino con soglia a 3 MeV (luglio 2008) e Dotto-rato di Ricerca in Borexino e Double Chooz (un esperimentosui neutrini da reattore nucleare) da terminare nel 2012.


Un tuffo nel cosmoTra galassie, particelle e pesci luminosi,l’emozionante sfida di ANTARES alla ricerca dei neutrini astrofisici

Giulia De Bonis(Dipartimento di Fisica dell’Universita Sapienza di Roma)

... like the moon, whose orbthrough 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)

Molta strada e stata percorsa da quando il celebrescienziato pisano Galileo Galilei ha avvicinato isuoi occhi al telescopio, puntando lo strumentoal cielo stellato e ottenendo per la prima volta

una visione ingrandita della Luna, di Giove e dei suoi satelliti. Daallora l’immagine tradizionale dell’astronomo e stata sostituita dafigure professionali piu articolate, gli strumenti di osservazionesono diventati multiformi e complessi e l’oggetto di indagine sie spinto ben oltre il Sistema Solare e la scia luminosa della ViaLattea, fino alla scala del mega-parsec1.

Figura 1 – Un acceleratore cosmico emette fotoni, neutrini e nuclei, masolo i neutrini possono attraversare distanze cosmologiche senza essereassorbiti o deflessi. I neutrini permettono anche di indagare la natura dioggetti densi e compatti, opachi alla radiazione elettromagnetica.

La parola chiave della moderna astronomia e multi-wavelength,lunghezze d’onda multiple: le osservazioni astronomiche sonoeseguite su tutto lo spettro elettromagnetico, dalle radio frequenzeai raggi gamma, utilizzando sia apparati posti sulla superficie ter-restre che strumenti a bordo di satelliti e stazioni spaziali. Combi-nando diverse tecniche sperimentali si colleziona cosı una grandevarieta di dati per ricostruire un’immagine completa e dettagliatadell’oggetto di studio.

1 Il parsec (pc), pari a circa 3,1× 1016 m, e un’unita di misura didistanza basata su tecniche trigonometriche, utilizzata per definirela distanza tra la Terra e le stelle su scala galattica. Il mega-parsec(Mpc, un milione di parsec) e invece la scala comunemente usataper le distanze extragalattiche.

Ma non e tutto: si puo fare astronomia anche senza fotoni, cioesenza radiazione elettromagnetica. Altre particelle possono es-sere incluse, infatti, nella lista delle possibili sonde in grado ditrasportare informazione dalle regioni piu remote dell’Universo,seguendo l’approccio multi-messenger (multi-messaggero) dellaricerca astronomica. Tra questi nuovi messaggeri dal Cosmo, unposto d’onore spetta ai neutrini: privi di carica elettrica e debol-mente interagenti con la materia, si propagano nell’Universo sen-za essere deviati da campi magnetici e senza essere assorbiti, adifferenza di quello che accade a protoni, nuclei e fotoni (cfr.Figura 1). Viaggiando quasi del tutto indisturbati per distanzecosmologiche, i neutrini conservano l’informazione sulla direzio-ne di provenienza (puntamento), estendendo l’orizzonte di osser-vabilita degli eventi e rendendo accessibili regioni dell’Universodense e compatte, opache alla radiazione elettromagnetica. Laneutrino-astronomia, pertanto, offre non solo complementarietaalle osservazioni dell’astronomia tradizionale, ma permette anchedi aprire nuove possibilita di indagine, introducendo connessionicon l’astrofisica, la cosmologia e la fisica delle particelle.

La sfida dei neutrini astrofisici

I neutrini sono le particelle piu deboli del Modello Standard e laloro probabilita di interazione con la materia e piccolissima; co-me se non bastasse, le previsioni teoriche suggeriscono un flussodi neutrini astrofisici molto ridotto, che si traduce in un numeroestremamente piccolo di eventi osservabili a terra. Per la rivela-zione dei neutrini astrofisici di alta energia e richiesto quindi unvolume di rivelazione dell’ordine di 1 km3, realizzabile solo sfrut-tando risorse naturalmente disponibili, quali l’acqua degli oceanio il ghiaccio delle calotte polari. Nessun laboratorio tradiziona-le, infatti, potrebbe contenere la massa necessaria a costituire unbersaglio per la raccolta di un numero sufficiente di interazioni.La principale tecnica di rivelazione adottata nei telescopi per neu-trini astrofisici sfrutta il fenomeno noto come effetto Cherenkovdal nome del suo scopritore, il fisico russo P.A. Cherenkov (1904-1990), vincitore del premio Nobel per la Fisica nel 1958. Il feno-meno consiste nella formazione di un’onda coerente di radiazioneelettromagnetica (luce Cherenkov) in conseguenza del passaggiodi una particella carica ultra-relativistica in un mezzo trasparente,come l’acqua o il ghiaccio. In queste condizioni la particella simuove piu velocemente della luce nel mezzo, causando la forma-zione di un cono di luce, in analogia con il fenomeno dell’ondad’urto acustica nel caso di moto supersonico. L’angolo di emis-



c tn

βct

θ

Figura 2 – Schema di emissione di radiazione Cherenkov: la traietto-ria della particella e indicata con una freccia rossa, quella della luceCherenkov con le frecce blu. Da Wikipedia.

sione della radiazione dipende dall’indice di rifrazione del mez-zo n (cfr. Figura 2) e il fatto che la geometria di emissione siadefinita una volta che siano note le proprieta del mezzo permet-te di ricostruire le tracce delle particelle dalla distribuzione nellospazio della luce Cherenkov emessa. Nei telescopi sottomarini,la luce Cherenkov e raccolta per mezzo di dispositivi chiamatifotomoltiplicatori (cfr. Figure 3 e 4).

Dal momento che la capacita di puntamento del telescopio dipen-de dalla corretta ricostruzione delle tracce, e quindi dalla precisamappatura della distribuzione della luce emessa, per ottenere unabuona risoluzione angolare e essenziale la calibrazione, in tempoe in carica, dei sensori e la conoscenza della posizione di ciascunfotomoltiplicatore. Nel caso di un telescopio sottomarino, in cuigli elementi che costituiscono l’apparato sono sı ancorati al fon-do del mare, ma hanno una struttura semi-rigida e quindi oscillanoper effetto delle correnti sottomarine, questo significa un costantemonitoraggio, con tecniche di triangolazione acustica, della geo-metria del rivelatore. Le interazioni di neutrini producono proprioparticelle cariche ultra-relativistiche, che si propagano in acquacon emissione di luce Cherenkov.

Gli algoritmi di selezione e ricostruzione di eventi devono tenereconto della separazione del segnale dal fondo: come l’apparatosperimentale e immerso nelle acque del mare, cosı il debole se-gnale 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 radioattivita na-turale e da fenomeni di bioluminescenza. Per quanto riguarda laselezione dei neutrini astrofisici, il segnale e da ricercare tra glieventi ricostruiti come up-going, cioe provenienti dal basso; ilfondo e costituito da neutrini e muoni atmosferici, prodotti nel-le interazioni dei raggi cosmici primari con l’atmosfera. I muoniatmosferici provengono dall’alto (down-going) e possono esserescartati selezionando le sole tracce up-going; la massa d’acqua

sopra l’apparato funge da schermo, riducendo gli eventi di fon-do. Il campione di tracce up-going contiene sia neutrini atmosfe-rici che neutrini astrofisici; la distinzione tra fondo atmosfericoe segnale astrofisico richiede, in questo caso, un’analisi statisti-ca approfondita, che include la stima dell’energia dell’evento ela ricostruzione della posizione della sorgente. La rivelazione deineutrini astrofisici costituisce quindi una sfida affascinante, sia dalpunto di vista della ricerca tecnologica, sia per quanto riguarda losviluppo degli algoritmi di analisi dei dati.

ANTARES, un rivelatore in azione

La sfida lanciata dai neutrini astrofisici e stata raccolta con suc-cesso dall’esperimento ANTARES (Astronomy with a NeutrinoTelescope and Abyss Environmental RESearch), il primo telesco-pio per neutrini operativo nel Mar Mediterraneo. L’esperimentoe realizzato da una collaborazione internazionale che include Ita-lia, Francia, Spagna, Germania, Marocco, Romania, Paesi Bassie Russia. Il rivelatore e posizionato a circa 40 km a largo di LaSeyne sur Mer (Francia), a 2500 m di profondita. E costituito da12 linee, ciascuna composta di 25 piani con 3 fotomoltiplicatoriper piano; le linee distano l’una dall’altra ∼ 70 m e sono dispostesecondo una geometria ottagonale, con un’area di ∼ 0,1 km2 esensibilita per neutrini con energia nell’intervallo 1012÷1016 eV(cfr. Figura 3). Posizionato nell’emisfero Nord, ANTARES offreuna buona visibilita del Centro Galattico e del Piano Galattico.Con una risoluzione angolare di ∼ 0,3◦ per neutrini con energiamaggiore di 1 TeV, inoltre, il telescopio offre ottime potenzialitaper l’astronomia. L’esperimento e stato completato nel giugno2008 ed e in presa dati, l’analisi dei dati e in corso. Tra i risul-tati piu significativi dell’esperimento citiamo l’aver posto limiticompetitivi al flusso di eventi da sorgenti puntiformi e al flusso dineutrini diffusi.

Figura 3 – Tecnica Cherenkov per la rivelazione di tracce di muoni in te-lescopi sottomarini. I muoni sono prodotti nelle interazioni dei neutrini,mentre la luce Cherenkov (cono blu) e raccolta per mezzo di un reticolotridimensionale di fotomoltiplicatori. A destra e visibile una traccia ri-costruita come proveniente dal basso e quindi interpretabile come eventodi segnale. In evidenza i fotomoltiplicatori colpiti dall’emissione di luceCherenkov. Da antares.in2p3.fr.



Un telescopio al cubo

ANTARES costituisce il primo passo della neutrino-astronomianel Mediterraneo. Il futuro, cioe la prossima generazione di tele-scopi, e rappresentato da apparati il cui volume sia dell’ordine di1 km3, in modo da estendere la capacita di rivelazione ai neutrinidi alta energia. L’obiettivo e realizzare nell’emisfero Nord un os-servatorio complementare a IceCube, un esperimento in presa da-ti nei ghiacci dell’Antartide, in modo che le osservazioni dei duetelescopi offrano una completa visione del cielo (cfr. Figura 5).Procedere da ANTARES verso il km3 implica la ricerca di nuovesoluzioni meccaniche ed elettroniche, oltre che l’individuazionedi un sito sottomarino ottimale per l’installazione, caratterizzatoda stabilita delle proprieta geologiche, oceanografiche e fisiche.Le soluzioni esaminate devono tener conto del compromesso tra ivantaggi, in termini di efficienza di rivelazione, e le effettive diffi-colta di implementazione derivanti dall’operare sott’acqua su lar-ga scala. Nell’ambito di questi studi, a fianco ad ANTARES sonoattive le collaborazioni NEMO (NEutrino Mediterranean Obser-vatory) e NESTOR (Neutrino Extended Telescope with Oceano-graphic Research). I tre esperimenti costituiscono il ConsorzioEuropeo KM3NeT, con lo scopo di unificare le diverse propo-ste, traendo profitto dai risultati ottenuti con i diversi esperimentiprototipo, e di coordinare le attivita in vista di un unico grandeapparato nel Mediterraneo.

Bibliografia

Sito della collaborazione ANTARES: antares.in2p3.frSito della collaborazione NEMO: nemoweb.lns.infn.itSito della collaborazione NESTOR: www.nestor.noa.grSito del consorzio europeo KM3NeT: www.km3net.org

Figura 4 – Nell’immagine principale, rappresentazione schematica del-l’esperimento ANTARES (autore: Francois Montanet). In basso a de-stra, dettaglio di un piano di rivelazione, costituito da una tripletta difotomoltiplicatori (in alto), orientati in modo da rivolgere verso il bassola superficie fotosensibile. Immagini da antares.in2p3.fr.

Figura 5 – Confronto tra la visibilita dell’esperimento IceCube, posi-zionato al Polo Sud, e quella del futuro telescopio KM3NeT, collocatonell’emisfero settentrionale, considerando una copertura per i soli eventiup-going. E in evidenza la perfetta complementarita tra i due esperimen-ti: il telescopio nel Mediterraneo offrira una buona visibilita del CentroGalattico e delle principali sorgenti galattiche (in rosso, mentre in nerosono 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 neu-trinos. In Physics Reports, vol. 258(3):173–236 (1995)[22] Learned J. e Mannheim K. High-energy neutrino astro-physics. 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: Newconstraints and implications. In Journal of Cosmology and Astro-particle Physics, vol. 2004:003 (2004)[24] Chiarusi T. e Spurio M. High-energy astrophysics wi-th neutrino telescopes. In The European Physical Journal C,vol. 65(3):649–701 (2010). URL arxiv.org/abs/0906.

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[25] ANTARES Collaboration. ANTARES: the first undersea neu-trino telescope URL arxiv.org/abs/1104.1607

[26] ANTARES Collaboration. Search for a diffuse flux of high-energy νµ with the ANTARES neutrino telescope. In Physics Let-ters B, vol. 696(1-2):16–22 (2011). URL arxiv.org/abs/

1011.3772

[27] ANTARES Collaboration. First Search for Point Sourcesof High Energy Cosmic Neutrinos with the ANTARES NeutrinoTelescope URL arxiv.org/abs/1108.0292

Sull’autore

Giulia De Bonis (http://www.roma1.infn.it/people/debonis/) ha conseguito laurea e dottorato inFisica presso l’Universita Sapienza di Roma e al momentoe assegnista di ricerca presso il Dipartimento di Fisicadella stessa Universita, occupandosi dell’analisi dei datidell’esperimento ANTARES. I suoi interessi di ricercaincludono la neutrino-astronomia e la rivelazione di neutriniastrofisici in ambiente sottomarino.


I messaggeridell’UniversoPrime analisi congiunte tra onde gravitazionali e neutrini di alta energia

Irene Di Palma(Max Planck Institut fur Gravitationsphysik, Hannover)

L’astronomia multi-messaggero, utilizzando diffe-renti tipi di sonde come fotoni, protoni, neutrini,onde gravitazionali1, sta aprendo nuove frontiereper l’osservazione delle sorgenti astrofisiche piu

lontane e dei piu violenti fenomeni osservati nel nostro Universo.Soprattutto neutrini e onde gravitazionali sono complementari aifotoni perche in grado di attraversare mezzi molto densi senzaessere assorbiti o deviati su distanze cosmologiche, trasportan-do informazioni dalle regioni piu recondite del cosmo. Questoinedito angolo di osservazione puo permettere di scoprire nuovesorgenti galattiche ed extragalattiche fino a ora invisibili all’astro-nomia convenzionale e raccogliere informazioni preziosissime ri-guardanti i loro processi interni. Per far cio e cruciale richiedereconsistenza nella rivelazione di onde gravitazionali e neutrini: untelescopio per neutrini come ANTARES e in grado di fornire inmaniera accurata la direzione e il tempo associati agli eventi dineutrini di alte energie, mentre una rete di interferometri comeLIGO e Virgo puo determinare l’informazione temporale e di po-sizione per i segnali impulsivi di onde gravitazionali. La sfida stanel combinare le conoscenze di rivelatori cosı diversi.

Sorgenti astrofisiche

Le potenziali sorgenti di onde gravitazionali e neutrini di altaenergia (E> 1 TeV) devono avere un’intensa attivita impulsivaoltre che essere estremamente energetiche. Per queste ragioni iplausibili meccanismi di emissione includono due classi di sor-genti che potrebbero essere accessibili per l’attuale generazionedi interferometri per onde gravitazionali e di telescopi per neutri-ni. La prima classe e quella dei Microquasar, che si ritiene sianosistemi stellari binari in cui un oggetto compatto accresce la pro-pria massa catturando il materiale espulso dalla stella compagna,riemettendolo sotto forma di getti relativistici associati a intensiflash. Questi oggetti possono generare onde gravitazionali sia du-rante la fase di accrescimento che quella di espulsione, mentre ineutrini di alta energia sarebbero emessi durante l’espulsione deigetti. I Gamma-Ray Bursts (GRB) sono l’altra promettente clas-se di sorgenti da cui ci si aspetta un flusso di neutrini di energiacompresa tra 105 e 1010 GeV. Si tratta di intensi flash di fotoniassociati a esplosioni estremamente energetiche osservate in ga-lassie 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 conseguenzadella sua Teoria della Relativita Generale.

sono quelli che hanno una durata inferiore ai due secondi, mentrequella dei long GRB si estende per piu di due secondi. Si pen-sa che gli short GRB siano originati dalla coalescenza di binariedi buchi neri e/o stelle di neutroni e che possano emettere ondegravitazionali rivelabili da grandi distanze oltre a un significativoflusso di neutrini di alta energia. Anche il caso dei long GRB ecompatibile con l’emissione di onde gravitazionali durante il col-lasso della stella progenitrice in rapida rotazione, evento a cui puoessere associata l’espulsione di un getto di neutrini.

Rivelatori

L’analisi congiunta che prevede l’utilizzo di onde gravitazionalie neutrini e la sfida piu recente per la nuova generazione di ri-

Figura 1 – Formazione di short e long Gamma-Ray Bursts a partire dalleloro piu probabili sorgenti astronomiche. Da 3dastronomer.com.



velatori. ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope andAbyss environmental RESearch) e il piu grande telescopio sotto-marino per neutrini dell’emisfero boreale ed e operativo al pie-no delle sue potenzialita dal Giugno 2008. Si trova a una pro-fondita di circa 2500 metri nel Mar Mediterraneo, di fronte allecoste di Tolone. La configurazione prevede 12 linee o stringhe,su ognuna delle quali sono montate 25 triplette di moduli otticidistribuiti regolarmente lungo 350 metri. La prima linea e posi-zionata a una distanza di 100 metri dal fondale marino. L’idea eusare la Terra come uno scudo contro tutte le particelle eccetto ineutrini, che interagiscono pochissimo con la materia ordinaria.

massadi test

massadi test

massadi test

massadi test

beamsplitter

sorgentelaser

photodetector

fascio di luce

I rivelatori di onde gravitazio-nali Virgo e LIGO (Laser In-terferometer Gravitational Wa-ve Observatory) sono inveceinterferometri costituiti da duebracci orientati a circa 90◦ l’u-no dall’altro. LIGO, il cui

schema e riprodotto qui accanto, utilizza tre di questi rivelatoricollocati in due siti differenti: un osservatorio e a Hanford, vi-cino Washington, e ospita due interferometri co-locati, uno conbracci di 4 km chiamato H1 e l’altro con una lunghezza di 2 kmchiamato H2. Il secondo osservatorio si trova a Livingston, inLousiana, dove c’e l’interferometro L1 con bracci di 4 km. Virgoe invece il rivelatore dell’Osservatorio Europeo di Onde Gravita-zionali, ubicato a Cascina, vicino Pisa, con bracci della lunghezzadi 3 km. Grazie all’interferometria laser si misura il tempo che laluce impiega per rimbalzare avanti e indietro tra gli specchi pre-senti nei bracci prima di giungere sul rivelatore di luce chiamatofotodiodo. Data l’identica estensione dei bracci non si dovrebberegistrare nessuna differenza nei tempi di percorrenza della luce, ameno che non si sia verificato il passaggio di un’onda gravitazio-nale che, distorcendo il locale tessuto spazio-temporale, modificain maniera diversa la lunghezza dei due bracci. La misura di talespostamento infinitesimale degli specchi e proporzionale all’am-piezza dell’onda gravitazionale che lo ha prodotto. La presenzadi molteplici rivelatori in diverse posizioni geografiche e crucialeper eliminare problemi strumentali e anomalie nei dati quando sivuole condurre un’analisi in coincidenza (cfr. Figura 2).

Analisi in coincidenza

Gli interferometri di onde gravitazionali e i telescopi per neutrinicondividono la sfida di ricercare segnali deboli e rari nascosti traabbondanti eventi di rumore. L’analisi congiunta tra questi duemessaggeri prevede l’utilizzo di una lista di eventi di neutrini incui siano specificate le informazioni inerenti al tempo di arrivo ealla posizione in cielo con i relativi errori. Ogni evento di tale listae ottenuto utilizzando uno specifico algoritmo di ricostruzione perminimizzare le fonti di rumore ed evitare di includere falsi positi-vi. Utilizzando le informazioni della lista di neutrini si analizzano

Figura 2 – Posizione dei diversi rivelatori coinvolti nell’analisi.

i dati degli eventi associati alle onde gravitazionali in una finestratemporale dell’ordine di circa mille secondi intorno al tempo delneutrino e nella stessa posizione in cielo. Cosı facendo si miglio-ra la sensibilita dell’analisi per cercare eventi in coincidenza neidati di onde gravitazionali utilizzando l’informazione degli even-ti di neutrini. Coincidenze accidentali in tempo e posizione incielo sono molto poco probabili, quindi se una coincidenza venis-se osservata questa costituirebbe una solida evidenza che le ondegravitazionali e i neutrini di alta energia sono stati osservati e chesono stati originati dalla medesima sorgente.

Bibliografia

Sito dell’esperimento LIGO: www.ligo.caltech.eduSito dell’esperimento Virgo: wwwcascina.virgo.infn.it[28] Pradier T. Coincidences between Gravitational Wave Inter-ferometers 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 betweenHigh-energy Neutrinos and Gravitational-wave Transients fromGamma-ray Bursts. In Astroparticle Physics, pp. 1–7 (gen. 2011).URL http://arxiv.org/abs/1101.4669

Sull’autore

Irene Di Palma ([email protected]) ha consegui-to la laurea triennale in Astronomia e Astrofisica presso l’U-niversita Sapienza di Roma con una tesi sperimentale sul-le ottiche di Virgo e la laurea specialistica con l’analisi deidati da sorgenti puntiformi per ANTARES. Ora e dottoran-da per la collaborazione LIGO al Max Planck Institut furGravitationsphysik, presso l’Albert Einstein Institut.


RECENSIONI

Scienza Express

Leggere e un diritto nella societa della conoscenza. Le questioni scientifiche, mediche e tecnologichesono al centro del dibattito democratico. Nonostante questo, la distanza dei cittadini dalla lettura edalle scienze e grande. Scienza express si propone di contribuire a ridurla.

Comincia cosı il manifesto programmatico di una delle piu interessanti novita del mondo dell’editoriascientifica italiana. In un periodo storico in cui si discute incessantemente di crisi del mercato del libroe si rincorrono le voci di una prossima, possibile morte del libro stesso, da qualche parte anche nelnostro Paese, che non ha mai brillato ne nell’ambito della lettura, ne in quello della cultura scientifica,emerge un briciolo di coraggio e nasce una nuova casa editrice di respiro nazionale tutta votata allascienza: Scienza Express. Questo primo anno di attivita ha per ora visto un catalogo di undici libri constili e di generi molto diversi e nessuno di essi e realmente in tema con questo numero di Accastampato.Tra tanti neutrini, pero, volgere lo sguardo sul resto dello sfaccettato mondo della scienza non puo cheessere utile per mettere tutto nella giusta prospettiva.

La blogosfera scientifica italiana e discretamente ampia e articolata, sempre piu ricca di propostee 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 retedi scrittori di scienza che si faccia vedere e sentire piu efficacemente. Tra i blogger piu conosciuti eapprezzati 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 perversi 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 odi 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 aintessere un botta e risposta serrato tra un immaginario e paziente maestro e un altrettanto immagina-rio, ma questa volta tanto curioso quanto irritante, discepolo sulla matematica e i suoi fondamenti, inVerso l’infinito ma con calma. Non per tutti i concetti l’espediente narrativo funziona al meglio, masicuramente va dato merito al bellissimo titolo del volume.

Rimanendo nell’ambito della didattica alternativa, i ragazzi dell’associazione Tecnoscienza.it si ci-mentano invece in un compito senza dubbio difficile, ma di indubbio fascino e importanza: mostraree spiegare il metodo scientifico ai bambini piu piccoli, quelli delle scuole materne. In Facciamo cheeravamo scienziati si susseguono dodici coinvolgenti esperimenti pensati e raccontati proprio per ipiu 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 piu attenti.

Tornando ai giovani ricercatori e comunicatori italiani, ma spostandosi sulla narrativa pura, PaoloMagionami, giovane fisico di Perugia, affronta invece in La spia che veniva dal baseball alcune dellequestioni piu spinose della fisica moderna, ambientando una storia d’intrighi e riflessioni sul rapportotra scienza e societa negli anni della Seconda Guerra Mondiale.

Questo primo assaggio di Scienza Express fornisce un’idea chiara dell’impostazione editoriale adot-tata 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 speri-mentazione, condita da un pizzico di amatorialita e adagiata su di un letto di infinita passione per lascienza.

Alessio Cimarelli(Responsabile della comunicazione del Laboratorio Europeo

di Spettroscopia Non-lineare di Sesto Fiorentino)

COPERTINE

IN BREVE

Titolo Giovanni Keplero ave-va un gatto neroMatematica e fisica inversi

Autore Marco Fulvio BarozziAnno 2011

Pagine 150Prezzo 9.00 eISBN 978-88-96973-02-8

Titolo Verso l’infinito ma concalmaUn dialogo su matema-tica, insiemi e numeri

Autore Roberto ZanasiAnno 2011


Titolo Facciamo che eravamoscienziatiEsperimenti divertenti,colorati e semplici, dafare a casa e a scuolacon i bambini dai 3 ai 6anni

A cura AssociazioneTecnoscienza.it

Anno 2011Pagine 82Prezzo 16.00 eISBN 978-88-96973-10-3

Titolo La spia che veniva dalbaseball

Autore Paolo MagionamiAnno 2011


EDITORE

accastampato num. 6, Settembre 2011

In collaborazione con

Sotto l’Alto Patronato del Presidente della Repubblica

Con il patrocinio di

Comune di MonteporzioCatone

Con la partecipazione diPa

Pres

s•

COMUNE DI GROTTAFERRATA

Partners

RICERCATORI...GENTE CHE LASCIA IL SEGNO.NOTTE EUROPEA DEI RICERCATORI - VENERDÌ 23 SETTEMBRE 2011 - A FRASCATI

Accastampato n. 6

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