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Barbara Ricci Universita’ di Ferrara & INFN-Ferrara

ricci@fe.infn.it

Corso di Eccellenza,Dipartimento di Fisica e Scienze della TerraFerrara, 15 Aprile 2013

FISICA DEL SOLE E

NEUTRINI SOLARI

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Indice:

1. Le principali osservabili solari2. Produzione dei neutrini solari 3. Rivelazione dei neutrini solari4. Oscillazione dei neutrini5. Conclusioni

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Mo= 1.989 (1 0.15%) 1030 kg

Circa 344000 volte la massa della Terra

Massa del sole

Come possiamo misurare la massa del Sole ? Ci aiutano la terza legge di Keplero e l’esperimento di Kavendish.

Esercizio: ricavare la terza legge nel caso di orbita circolare…

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Raggio solare:distanza tra il centro del sole

e la superficie visibile (fotosfera)

Ro=6.9598 (1 0.04%) 105 km

RT 6000 km

Terra

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• Datazione radiochimica degli oggetti piu’ vecchi nel sistema solare, meteoriti condritiche:

ts=4.57(1 0.4%) Gyr• Ne vivra’ ancora altrettanti

prima di diventare una gigante rossa per poi spegnersi come nana bianca

Eta’ del sole

tterra 4,5 Gyr 1Gyr= 109 yr

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Luminosità del sole

• Energia prodotta nell’unita’ di tempo

• Una centrale nucleare produce circa 3x109 W

• Quello che si misura in realtà è la costante solare: Ko=1.1 kW/m2

–Esercizio: ricavare la luminosità dalla costante solare, sapendo che la distanza terra-sole e’ d=1.5 x 1014 m

Lo=3.844(1 0.4%) 1026 J/s

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Composizione chimica e Temperatura superficiale

• Circa il 70% della massa del sole è costituita da nuclei di idrogeno, il 28% circa da nuclei di elio* e il restante 2% da atomi (ionizzati) più pesanti, quali ossigeno, carbonio ecc.

• La Temperatura superficiale (fotosfera) e’ di circa 6000 gradi Kelvin

*L’elio e’ stato scoperto per la prima volta nella corona solare nel 1895

sulla terra: 35% di Fe, 30% di O, 25% di Si ; T 300 K

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Rotazione del sole

0.1 Rs 0.7 Rs

• Rotazione differente ai poli e all’equatore, non e’ una novita’….

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Rotazione del sole

• Sulla rotazione del nucleo ancora non si riesce a dire niente 0.1 Ro

0.7 Ro

• Al di sotto di 0.7 Ro il sole ruota quasi uniformemente*

• Rotazione differente ai poli e all’equatore, non e’ una novita’….

*Importantissimo successo dell’eliosismologia

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Diverse immagini del sole

IR

X UV

radio

visibile

….superficie del sole

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Un’occhiata all’interno

ATTENZIONE !Il sole e’ opaco alla radiazione.La luce che arriva a noi proviene dalla superficie (fotosfera) e non direttamente dal centro

•Nucleo (1/3 Ms R < 0.1Ro ) :–reazioni di fusione nucleare:–in 1 sec 700.000.000 di ton di H sono convertite in He, liberando energia–T 16 milioni di gradi

•Zona radiativa (2/3 Ms 0.7Ro < R< 0.7Ro ) :–l’energia e’ trasportata dai fotoni, cioè dalla rad. e.m.

•Zona convettiva (2% Ms R >0.7Ro ):–l’energia e’ trasportata dalla convezione, cioè dalla materia

•Fotosfera:– sottile strato dal quale riceviamo la luce visibile. T 6000 gradi. Costituisce la "superficie" del Sole

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Quale fonte di energia per le stelle?Quale fonte di energia per le stelle?•L’energia gravitazionale può sostenere la luminosità del sole solo per circa 30 milioni di anni:EG=GMo

2/Ro 4 1041 JLo =4 1026 J/s to=4.57 GyrEtot=Loto 6 1043 J

••Troppo pocoTroppo poco per rendere conto dell’evoluzione dei processi biologici e geologici

•Comprendere la fonte di energia delle stelle era il problemaproblema scientifico del secolo scorso:

quale fonte di energia può quale fonte di energia può sostenere il sole per circa sostenere il sole per circa 5 miliardi di anni?5 miliardi di anni?

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La nascita dell’astrofisica nucleareLa nascita dell’astrofisica nucleareEinsteinEinstein: E=mc2

AstonAston: m(He)<4 m(H)

EddingtonEddington: “Certain physical investigations in the past year make it probable to my mind that some portion of sub-atomic energy is actually being set free in a star. … If five per cent of a star's mass consists initially of hydrogen atoms, which are gradually being combined to form more complex elements, the total heat liberated will more than suffice for our demands, and we need look no further for the source of a star's energy…” (Nature 1920)

Poco oltre... “If indeed the sub-atomic energy in the stars is being freely used to maintain their great furnaces, it seems to bring a little nearer to fulfillment our dream of controlling this latent power for the well-being of the human race - or for its suicide”

[5%Moc2 9 1045 J]

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Energia nucleareEnergia nucleare

-Occorre rivelare i neutrini per avere la prova della fonte di rivelare i neutrini per avere la prova della fonte di energia del soleenergia del sole

-G. Gamow propose negli anni ‘60 che all’interno del sole avvenisse la reazione di fusione:

4 p -> 4He + 2e+ +2neutrinineutrini+ 27 MeV*

-Come dimostrarlo? I neutrini riescono ad attraversare la stella e giungono fino a noi.

*1 MeV= 1.6 10 -13 J

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Carta di Identità del neutrinoCarta di Identità del neutrino• Particella, associata a un tipo di

interazione (debole)• Nascita: 1930 • Maternità/Paternità: Pauli,

Fermi (Pontecorvo) • Residenza: quasi ovunque• Provenienza: stelle, reattori

nucleari, acceleratori di particelle...

• Massa: “piccolapiccola, quasi zero”• Segni particolari: Estremamente Estremamente

elusiva/penetranteelusiva/penetrante

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• Quanti sono i neutrini solari ? Calcoliamolo: – costante solare: Ko 1KW/m2– ogni 2 neutrini si libera: Q=27 MeV – flusso di neutrini sulla terra (esercizio): Fn=2 Ko /Q 6 1014 neutrini/m2/s *

• Sono tanti ma interagiscono ‘debolmente’ con la materia

• Nel rivelatore GNO (30 ton di Gallio), si hanno 0.5 eventi / giorno

Particelle molto “elusive”Particelle molto “elusive”

**muonimuoni cosmicicosmici a a livellolivello del mare: 100 del mare: 100 muonimuoni/m/m22/s/s

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“Underground “Underground physics”physics”

•Per rivelare una radiazione cosi’ elusiva, penetrante, occorre “difendersi”occorre “difendersi”dalle altre radiazioni (raggi cosmici, radioattivita’ naturale)

•Bisogna andare sottoterra e in zone a bassa radioattivita’

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Laboratori Nazionali del Gran SassoLaboratori Nazionali del Gran Sasso(INFN)(INFN)

S.S. 17 BIS km. 18.91067010 Assergi L’Aquilatel. +39 0862 4371info@lngs.infn.itwww.lngs.infn.it

Il laboratorio del silenzio cosmico

La frontiera della radioattività zero

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Gli uominiGli uomini

Gli scaviGli scavi

Laboratori Nazionali del Gran SassoLaboratori Nazionali del Gran Sasso

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I rivelatoriI rivelatori

MACROMACRO GNOGNO

BOREX I NOBOREX I NO

ppaassssaattoo

pprreesseennttee

OPERAOPERA

ICARUSICARUS

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Il “problema dei neutrini solari”Il “problema dei neutrini solari”Anni ‘70: L’esperimento Homestake (in USA) apre la questione: si osservano 2/3 dei neutrini predetti dai modelli teorici del sole

Anni ‘80: Kamiokande e SuperKamiokande (in Giappone) confermano il problema

Anni ‘90: Gallex e GNO (in Italia) e Sage (in Russia) confermano il problema

Possibile soluzione: oscillazioneoscillazione didi neutrinoneutrino(Pontecorvo 1957); possibile solo se i neutrini hannomassa, anche se piccolissima

*RJ Davis Jr , M. Koshiba e R. Giacconi premio Nobel per la fisica 2002

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I neutrini oscillano!I neutrini oscillano!•Esperimento SNO (Canada): 2/3 dei neutrini solari di alta energia oscillano durante il tragitto sole-terra

•Esperimento KamLAND (Giappone) con (anti)neutrini da reattori nucleari: meta’ dei neutrini prodotti dai reattori “sopravvive”

•Neutrini “atmosferici”: circa meta’ dei neutrini prodotti dalla interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera oscillano (esp. MACRO, Kamiokande, Superkamiokande)

SNO

Kamland

Water Tank:g and n shield m water Č detector208 PMTs in water2100 m3

Scintillator:270 t PC+PPO (1.5 g/l)in a 150 mm thick inner nylon vessel

(R = 4.25 m)

Stainless Steel Sphere:R = 6.75 m2212 PMTs 1350 m3

Buffer region:PC+DMP quencher (5 g/l)4.25 m < R < 6.75 m

The Borexino detector@ LNGS•300 ton di materiale scintillante ultrapuro (PC), circondato da 2200 fototubi (PMT)

•Nato per rivelare i neutrini solari di energia ‘inermedia’, 1 MeV, ma e’ andato oltre…

•Ha iniziato a prendere dati nel 2007 e sta continuando.

https://borex.lngs.infn.it/

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Fototubi in Borexino

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Borexino: sfera di nylon

Borexino: risultati (1)

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Oscillazione di neutrini solari a basse energie e ad alte energie

*figura da G. Statera: , Neutrino Telescopes, 11-15 march 2013, Venice , Italy

Probabiita’ di non-oscillazione in funzione dell’ Energia dei neutrini

Segn

ale

osse

rvat

o/se

gnal

e at

teso

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• La distanza terra sole cambia durante l’anno (e=0.0167)

• Il segnale di neutrini solari modulato temporalmente

• Variazione mensile del segnale dei neutrini solari osservata.

*figure da G. Statera: , Neutrino Telescopes, march 2013

Borexino: risultati (2)

Borexino: non solo Sole…..

28*figura da G. Statera: , Neutrino Telescopes, 11-15 march 2013, Venice , Italy

•Rivelazione di anti-neutrini prodotti dal decadimento di materiale radioattivo (U e Th) presente nella crosta e nel mantello terrestre (geo-neutrini)

•Nel periodo 2007-2012 sono stati osservati 23 eventi dovuti ai geoneutrini

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Da Ginevra al Gran SassoDa Ginevra al Gran Sasso•Sparare neutrini prodotti al CERN di Ginevra sotto la crosta terrestre per 732 Km

•in questo viaggio i neutrini possonooscillare

•Esperimento OPERA: dal Cern partono neturini di tipo muonico, durante la strada alcuni di loro si trasformano in neutrini di tipo tauonico

•Altri esperimenti nel mondo (Cina, Giappone, Korea, Francia) vedono e studiano l’oscillazione dei neutrini

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Conclusioni

• Il sole “funziona” ad energia nucleare: la rivelazione dei neutrini solari ne e’ la prova.

• Problema dei neutrini solari risolto: i neutrini “oscillano”. Anche i neutrini da reattore e i neutrini atmosferici oscillano.

• Presente/Futuro: determinazione accuratamente i parametri dell’oscillazione

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Cosa facciamo a Ferrara ?• Usiamo il sole come “laboratorio” per lo studio

teorico delle reazioni nucleari, come test di esistenza di possibili particelle esotiche

• Abbiamo collaborato con LUNA, acceleratore realizzato al Gran Sasso per lo studio delle reazioni nucleari in condizioni simili a quelle esistenti nelle sole

• Si studiano gli antineutrini prodotti all’interno del nostro pianeta a causa del decadimento dei nuclei di Uranio e Torio

• Collaboriamo con Borexino per la rivelazione degli antineutrini terrestri

Venite a trovarci !

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