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XCIX Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica 23-27 Settembre 2013 – Trieste

Dal neutrone al neutrino:

il periodo canadese

di Bruno Pontecorvo

Matteo Leone

Dipartimento di Filosofia e Scienze dell’Educazione

Università degli Studi di Torino

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• Obiettivo: Pontecorvo, da fisico del neutrone a fisico del neutrino

• Strumenti: fonti primarie, archivistiche e a stampa

The National Archives, Kew Gardens, London

Churchill Archives Centre, Churchill College, Cambridge

National Research Council of Canada Archives, Ottawa

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• 1940-43: carotaggio neutronico (Tulsa, Oklahoma)

• 1943-48: reattore NRX a Uranio e acqua pesante (Montreal e Chalk River, Canada)

• 1946: metodo cloro-argon per rilevamento del neutrino

• 1947: costante accoppiamento di elettroni e muoni con nucleoni

• 1948: exp decadimento muoni; contatori proporzionali

• 1949: spettro di He3 e limite alla massa del neutrino

• 1949-50: Atomic Energy Research Establishment (Harwell, UK)

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I luoghi della trasformazione

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Bertrand Goldschmidt, How it All Began in Canada - The Role of the French Scientists

H.H. Halban J.D. Cockroft

B. Pontecorvo

Montreal, 1943

A. Nunn May

G.C. Laurence

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http://www.patrimoine-culturel.gouv.qc.ca

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• E. Appleton, Directorate of Tube Alloys, 8 December 1942:

“… Auger and Placzek had made a very strong case … on the value of Pontecorvo … as we could not get British physicists of equal standing, we ought not object to taking on foreigners …”

The National Archives, Kew Gardens, London

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• 15 gennaio 1943: Pontecorvo entra a far parte di Tube Alloys

The National Archives, Kew Gardens, London

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Pontecorvo

Montreal Laboratory – Staff Physics Division: 4 sezioni

Sezione N. 1: A. Nunn May

Sezione N. 2: B. Pontecorvo

Sezione N. 3: G.C. Laurence

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J.D. Cockroft B.W. Sargent

E.P. Hincks

Pontecorvo lavora alla progettazione del reattore NRX (operativo dal 22 luglio 1947)

Chalk River, 1946

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Il contesto della trasformazione

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Rilevare il neutrino attraverso il nucleo di rinculo

Rinculo dei nuclei prodotti in un processo beta (pX + p = 0?)

• Leipunski (1936): 11C 11B + + + ?

• Crane & Halpern (1938-39): 38Cl 38Ar + – + ?

• Allen (1942): 7Be + eK 7Li + ? (cattura elettronica no emissione )

Problema: non si osserva il neutrino, ma le particelle con cui è associato all’atto della sua produzione. Assai più convincente sarebbe l’osservazione di un neutrino nello stato libero:

“There is only one process which neutrinos can certainly cause. That is the inverse -process”

Bethe & Becher, Rev. Mod. Phys. 8, 82 (1936)

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H. Bethe & R. Peierls, Nature 133, 532 (1934)

• Teoria decad. beta (Fermi)

XeX A

Z

A

Z 1

244

43

3

cm 10tcm

“corresponding to a penetrating power of 1016 km in solid matter” ( 103 anni luce…)

“it is therefore absolutely impossible to observe processes of this kind with the neutrinos created in nuclear transformations”

Rilevare il neutrino attraverso un processo inverso

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La trasformazione

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AB 2/675. Records of the United Kingdom Atomic Energy Authority and its predecessors.

The National Archives, Kew Gardens, London

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nuclei di rinculo in processi beta

“The object of this note is to show that the experimental observation of an inverse process is not out of the question, and to suggest a method which might make an experimental observation feasible”

decadimento beta inverso

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condizioni energetiche per processo beta inverso

e± non rilevabile in pratica, ma…

“radioactivity of the produced nucleus may be looked for and studied as an indication of the inverse process produced by neutrinos”

refuso: Z+1

estrazione di atomi radioattivi (“carrier technique”) da vol. irraggiato m3

criteri

1) materiale economico (m3 …)

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ClSCl 353535

2) emivita giorni

3) semplice separazione chimica

4) Emax () più piccola possibile

“chlorine, for example, fulfills reasonably well the desired conditions” CCl4 (Jules Gueron)

ClArCl 353535

[+ 5) altri effetti ( inversi) trascurabili]

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l 1019 cm

VCCl4 m3 i 1017 /s

“Such extremely intense source does not go much beyond the present technical facilities”

• “Thanks are due to Dr. [Maurice] Pryce for very much useful discussion and advice”

• “Pryce pointed out to the author that flux of received from sun is quite considerable”

• “Actually: 1010 s-1 cm-2” “too low”

• se 1016 s-1 cm-2 “ would induce a radioactivity very light – but measurable”

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• Neutrino theory of light. Proc. R. Soc. Lond. A165, 257–271 (1938)

• Membro di Tube Alloys (1944-46)

• Responsabile del progetto del primo rettore inglese (1946)

Maurice H.L. Pryce

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“Sometime in 1947 or 1948 I was passing through Zurich and had lunch with Preiswerk and Pauli. I told Pauli about my plans concerning the […] method. He very much liked the idea itself and he noted that it is not clear whether the "reactor neutrinos" would sufficiently effectively initiate reaction, but in his opinion they apparently should.” (p. 1101)

“In 1947 Bruno travelled to Europe for the first time after the war.”

G. Fidecaro, ‘‘Bruno Pontecorvo: From Rome to Dubna”, in B. Pontecorvo, Selected Scientific Works (Bologna 1997)

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viaggio a Zurigo

(+ Londra e Italia):

Giugno 1946!

“Summary of Pontecorvo’s journeys during wartime”

KV 2/1888. Records of the Security Service. The National Archives

Kew Gardens, London

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PNVO 1-5 Churchill Archives Centre

Churchill College, Cambridge

27 maggio 1946: autorizzazione

della Legazione Svizzera a Londra

11 giugno 1946: viaggio di Pontecorvo a Zurigo

8 aprile 1946: richiesta di

Cockroft al Ministry of Supply per

viaggio di Pontecorvo

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11 luglio 1946: Bradbury invita Pontecorvo a conferenza sui problemi fondamentali della fisica nucleare (19-24/8/1946)

N.E. Bradbury (successore di

Oppenheimer al Los Alamos Nat. Lab.)

Churchill Archives Centre Churchill College, Cambridge

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3 agosto 1946: Pontecorvo accetta…

scusandosi per il ritardo avendo visto la lettera “only yesterday on my return to Chalk River from a trip to England”

proponendo una comunicazione breve dal titolo: “Discussion on some methods to detect inverse beta processes”

(il progetto sfuma per l’Atomic Energy Act del 1° agosto 1946)

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The Papers of Bruno Pontecorvo GBR/0014/PNVO 4-1-3

Churchill Archives Centre Churchill College, Cambridge

Montreal, Settembre 1946: Nuclear Physics Conference

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(13 Novembre 1946) (per gentile concessione di Steven

Leclair, Archival Service Officer, National Research Council of Canada)

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declassificato da Atomic Energy Commission

in data 8 Ottobre 1948 (cfr. Alvarez…)

a pochi giorni di distanza da altri due report di B.W. Sargent presentati a Montreal

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PD-141 vs. PD-205

analogie…

• resoconto preliminare su rilevamento neutrini attraverso nuclei di rinculo

• idea di concentrarsi su processi prodotti dai neutrini dopo che questi sono stati emessi in una disintegrazione attraverso un processo inverso

• possibilità di osservare un processo inverso “is not out of question”

• condizioni (5) che rendono fattibile l’osservazione sperimentale

• il cloro come buon candidato, nella forma CCl4

• V m3 di CCl4 richiede una sorgente di neutrini che, pur estremamente intensa, “does not go much beyond the present technical facilities”

• il Sole come possibile sorgente di neutrini ( 1010 s-1 cm-2)

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PD-141 vs. PD-205

… e differenze

) decad. ;giorni 37( -

3535

3535

ClS

SCl

)K cattura ;giorni 34(

3737

3737

ClAr

ArCl

. PD-141 PD-205

reazione

collaborazioni cita aiuto di M. Pryce e J. Gueron ///

fonti Leipunski (1936), Crane & Halpern (1939a,b),

Allen (1942), Konopinski (1943), Bethe & Becher (1936), Seaborg (1944)

///

neutrini solari 1010 s-1 cm-2 1016 s-1 cm-2

(http://pontecorvo.jinr.ru/)

refuso! Cfr. versione originale National Research Council of Canada

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Perché Cl-Ar solo nel report del 1946?

alla data di PD-141, 37Ar ancora poco caratterizzato (rispetto a 35S): cfr. Tabella degli Isotopi di Seaborg (1944)

PD-141 vs. PD-205

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dopo PD-205

• Chalk River, 1946-48: “There were even plans, by B. Pontecorvo in 1946, for an underground experiment to detect solar neutrinos”

(G.C. Hanna, in Canada enters the nuclear age, McGill-Queen's

University Press, 1997)

• Harwell, 1949: pianifica esperimento per rilevare “neutrini da una pila” col metodo Cl-Ar

(Pontecorvo ad Amaldi, 19/6/1949, Churchill College)

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dopo PD-205

• Alvarez (1949) riprende e perfeziona il metodo cloro-argon

(L. Alvarez, Report No. UCRL-328, April 18, 1949, Berkeley)

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Conclusione: la radice della transizione

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• sorgenti radioattive curie 3.7 · 1010 disint. s-1

(1m) 3 · 105 cm-2 s-1

• reattori a fissione (1m) 1012 – 1013 cm-2 s-1

• effetto neutrino misurabile attraverso processo beta inverso se

(1m) 1016 cm-2 s-1 (PD-141) o 1014 cm-2 s-1 (PD-205)

“not too far from what could be obtained from present day facilities”

Pontecorvo scommette sui reattori (più che sul Sole: 1010) come sorgenti , così come Fermi scommise sul neutrone per ottenere radioattività indotta

al di là di fattori “ambientali” (Pryce e Gueron a Montreal, viaggio a Zurigo da Pauli), la trasformazione di Pontecorvo in fisico del neutrino è frutto della sua

expertise in fisica del neutrone acquisita in Canada!

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“In 1951, I began working on a radiochemical experiment for detecting neutrinos using a method that was suggested by Pontecorvo (1946) [and

that] has many similarities to techniques I eventually used.”

Raymond Davis Jr., Premio Nobel per la Fisica 2002

“for pioneering contributions to astrophysics, in particular for the detection of cosmic neutrinos”