I neutrini nella fisica delle particelle elementari

Alessandro Iannucci

Che cos’è il neutrino

• Il neutrino in fisica delle particelle elementari è rappresentato dalla lettera greca “”

• Il neutrino appartiene alla famiglia dei leptoni

Quali sono le particelle elementari?

• Elementare non significa “semplice”, ma “costituite solo da se stesse”– Ricorda l’ di Democrito (indivisibile!)

• Il protone e il neutrone, per esempio, non sono particelle elementari

• L’elettrone invece, è una particella elementare

Ancora sulle particelle elementari• I quark

– Non esistono liberi* ma solo in coppie (Mesoni) e in terzetti (Barioni)

*(almeno fino ad oggi non sono stati osservati)

• I leptoni– Esistono liberi e non esistono

in coppie o in terzetti

• I bosoni di gauge– Sono gli intermediari delle

forze

Sulle particelle NON elementari

• Adroni– Barioni:

•

– Mesoni:•

...,,,,,,,,,,, ooonpnp

...,,,,,,,,,,,, ooooo BBBBDDD

qq

qqq

Sui bosoni di gauge

• Sono i portatori delle forze

• In fisica subatomica esistono 3 forze fondamentali

FORZE PARTICELLE– Elettromagnetica fotone– Debole bosoni massivi (W-,

W+ Zo)– Forte (adronica) gluoni

unificate

I neutrini risentono solo la forza debole!

Torniamo al neutrino

• Come mai non c’è una foto del neutrino??

Il neutrino:• È neutro• Ha una massa molto piccola • Ha uno spin ½• È un fermione (come i barioni e i leptoni)• Ha interazione estremamente debole con la

materia

eVe 8

Quali sono le sorgenti dei neutrini?

1-L’Universo

• Il Big Bang 102 neutrini/cm3 nell’attuale Universo

• Le Supernovae• Il Sole

– Da quando ho iniziato a parlare nelle vostre teste sono passati (senza interagire) circa un miliardo di milioni di neutrini solari (I1010 neutrini/s/cm2)

• I raggi cosmici interagenti con l’atmosfera

Quali sono le sorgenti dei neutrini?

2- L’uomo

• Le reazioni nucleari– Decadimenti, fissioni, fusione…

• Acceleratori di particelle• Noi stessi

– Conteniamo una piccola quantità di Potassio (2 10-3 g), che è un elemento radioattivo che emette 3 108 neutrini al giorno

Il neutrino “nasce” nel 1930

• Suo “padre” è W. Pauli

• Nel decadimento si è osservato uno spettro energetico incompatibile con un decadimento “a due corpi”

• Doveva esistere per forza un’altra particella (all’epoca invisibile) che portava con sé parte dell’energia iniziale

eepn

I neutrini sono tutti uguali?

• Abbiamo visto che esistono almeno 3 tipi di neutrini

• Inoltre sappiamo che potrebbero esistere anche le 3 antiparticelle dei 3 neutrini…

sapori

Esiste l’antineutrino?

• Conosciamo l’antimateria:– Positrone– Antiprotone…

• Ma esiste l’antineutrino?

• È uguale al neutrino?

• Il neutrino deriva dal decadimento

• Se il neutrino fosse uguale all’antineutrino

• Sperimentalmente si è osservato che neutrino e antineutrino non sono la stessa particella

ee

eepn

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• Sperimentalmente si è osservato che i neutrino che derivano dal decadimento differiscono dai neutrini provenienti dal modo principale di decadimento del

• I neutrini muonici furono utilizzati per bombardare l’alluminio

e Bruno Pontecorvo

... Al e non elettroni!!!

Un esperimento storico sul

• 1958: M. Goldhaber misura l’elicità del • Goldhaber M. et al., 1958, Phys Rev 109 (1015)

• L’elicità del neutrino ( ) è il prodotto scalare tra spin e impulso

• Goldhaber misurò elicità pari a –1• Misure analoghe hanno mostrato che

l’antineutrino ha elicità pari a +1• Avere elicità definita significa andare alla velovità

della luce (c)

p

Il problema rimane aperto!!

Che significa oscillazione?

• Si ha una oscillazione pura ogni volta che un punto materiale si muove secondo una legge sinusoidale

• x= posizione; A=ampiezza; w=frequenza; t=tempo

• Esempi : moto di una molla o di un pendolo

)2/()( tAsentx

Le oscillazioni non pure

• Sono tutte quelle oscillazioni in cui non è presente una unica frequenza, ma uno “spettro” di frequenze.

• Il tipico esempio è il suono: il diapason dà il “la” puro; un accordo di chitarra dà uno spettro di frequenze legate ai differenti suoni.

I pendoli accoppiati

• Consideriamo 2 pendoli accoppiati con una molla • Metto in oscillazione il primo con la sua frequenza• Dopo un po’ di tempo il primo pendolo diminuisce la

sua ampiezza di oscillazione e il secondo pendolo inizia a mettersi in modo

• Dopo un po’ di tempo il primo pendolo termina la sua oscillazione e il secondo pendolo arriva all’ampiezza massima

• Al diminuire dell’oscillazione del secondo pendolo, aumenta l’oscillazione del primo…

…e così via…

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

I pendoli accoppiati

Conclusione

L’oscillazione del primo pendolo si MESCOLA con l’oscillazione del secondo pendolo!!

Dopo un certo tempo si ha PROBABILITA’ che dipende dal tempo di trovare l’oscillazione del primo o del secondo pendolo (o mischiata)

Pendolo x e pendolo y accoppiati

)2/)(

2

1cos)2/)(

2

1cos)( ttAtx yxyx

)2/)(

2

1cos)2/)(

2

1)( ttAsenty yxyx

Pendolo x e pendolo y accoppiati

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1)( ttAsenty yxyx

)2/)(2

1cos)( 222 tAtA yxx

)2/)(2

1)( 222 tsenAtA yxx

Erwin SCHRÖDINGER

• Fisico austriaco.

• Il comportamento ambivalente di onda e corpuscolo è una proprietà generale della materia e della radiazione

Erwin SCHRÖDINGER

• Sia la materia che l'energia sono costituite da particelle la cui posizione non si può stabilire deterministicamente, ma soltanto in maniera probabilistica, attraverso una funzione d'onda da lui stesso introdotta.

• Il gatto di SCHRÖDINGER

Il gatto di SCHRÖDINGER

“…E' vivo o morto il gatto di Schrodinger? Possiamo conoscere la sua sorte senza guardare nella scatola in cui si trova? Per rispondere alle domande poste dal paradosso fisico di Schrodinger siamo costretti a riflettere sui concetti di casualità e di realtà oggettiva messi in crisi dalla più sconcertante teoria del Novecento: la teoria dei quanti….”

di Ignazio Sardella

Il gatto di SCHRÖDINGER

dove è il gatto? La funzione d’onda gode del principio di sommatività! Da un punto di vista PROBABILIATICO il gatto è sia nella scatola verde che in quella rossa

Il gatto di SCHRÖDINGER

Collasso della funzione d’onda

Il gatto di SCHRÖDINGER-2versione originale

il gatto è vivo o è morto?

Oscillazione dei neutrini

cossin

sincos

2

1

e

e

tEEsensentP )(2

12)( 21

22

tm

p

csensentP 2

322

42)(

22

21

2 mmm Condizioni necessarie: 1) 0

2) m20

Oscillazione dei neutrini

e e

Si mescolano i sapori!!

Conferme sperimentali

1968: dal Sole arrivano circa il 35% dei e aspettati (Davis)

2002: i e prodotti dal Sole arrivano sulla Terra al 35% come e e per la restante parte come e

(SNO- Sudbury Neutrino Observatory)

2004: il numero di e prodotto da reattori nucleari è minore di quello aspettato ad una distanza di circa 100 km

Super-Kamiokande Osservazioni consistenti per i neutrini muonici (prodotti

negli strati superiori dell'atmosfera dai raggi cosmici) che si trasformano in neutrini tau.

Un tipico evento neutrinico al Super-K

Interno del rilevatore, dove i tecnici manutengono i tubi foto moltiplicatori usando una barca che naviga nell'acqua pura. L'acqua viene usata a causa del suo eccellente rapporto corti/indice di rifrazione

K2K

KEK Super K

... bersagliop

Si è osservato un numero di

Inferiore (compreso l’errore) a quelli partiti da KEK

L’ultima frontiera: l’esperimento in Italia

Nel CERN di Ginevra verranno prodotti neutrini muonici e diretti verso l’osservatorio INFN del Gran Sasso.

Il fascio di percorrerà circa 730 km.

Nei laboratori INFN verranno misurati i , che non erano stati prodotti a Ginevra.

Bibliografia

• Wikipedia, I neutrini solari• http://it.wikipedia.org/wiki/Super-Kamiokande• Dispense di Fisica Superiore, A.A. 1996-1997, Tor

Vergata• Dispense di Fisica delle Particelle Elementari, A.A.

1997-1998, Tor Vergata• http://www.phys.uniroma1.it/DOCS/WEBLED/

orientamento.htm