Viaggio al centro della Terra a cavallo dei neutrini

Roma, 6 aprile 2011 Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

Viaggio al centro della Terra Viaggio al centro della Terra a cavallo dei neutrinia cavallo dei neutrini


@ Cosa sono i neutrini ?

@ Come e’ costituita la Terra?

@ A cosa e’ dovuto il calore all’interno della Terra?

@ Perche’ studiare i neutrini emessi dalla Terra?

@ Cosa abbiamo imparato finora?

Di cosa parlero’


Facciamo un passo indietro: cosa sono le particelle elementari?

Sono i costituenti elementari della materia

Le particelle stabili che costituiscono la materia sono: Elettrone: costituente dell’atomo; obbedisce alle forze elettromagnetiche

Protone e Neutrone ( in verita’ il n vive in media :886,8 s): costituenti del nucleo; obbediscono alle forze nucleari forti Neutrino, avente carica 0, e massa molto piccola- esso e’ disaccoppiato dalla materia

Ma ci sono molte altre particelle instabili, che si trasformano cioe’ dopotempi molto piccoli ( da un miliardesimo di secondo a molto meno) inaltre particelle


Ma come si studiano le particelle ?

Creando delle situazioni dinamiche si accelerano particelle stabili come il protone e si inviano contro altri protoni, o contro dei bersagli materiali.


p (1TeV) p (fermo)

€

t =10−13cm

3⋅1010cm /s≅ 3⋅10−24 s

€

P =1012 ⋅1.6 ⋅10−19J

3⋅10−24 s≅ 5 ⋅1016W ≈10000TW

Equivale a parecchie migliaia di centrali nucleari

Little Bang BIG BANG


SeparazioneRadiazione-Particelle (A)

Formazione dei nuclei con particellestabili- le particelle instabili prodottenel BB sono decadute (B)


Fase A C.M.B. a 3 K; residuo fossile della radiazione separatasi nella fase A

Fase B Fondo di neutrini nell’universo: ~300/cm3; residuo fossile dei prodotti di decadimento delle particelle instabili prodotte nel BB

A C+D+E

F+G

D+H+I

particelle stabili =p,n,e-

L+M (stabili)

D+L+..

Ma p ,e-, n formano la materia I neutrini rimangono disaccoppiati

part. stabili


PROPRIETA’

• ha carica nulla• ha massa molto piccola• ha spin, cioe’ ruota su su stesso come una trottola,

girando in modo antiorario. Se esistesse un neutrino destrorso (non lo sappiamo ancora) sarebbe sterile• ha una bassissima probabilita’di interagire con altre particelle: puo’ attraversare l’Universo rimanendo indisturbato• come tutte le particelle esiste la sua antiparticella (antineutrino)

Quindi e’ una formidabile sonda per esplorare zone Quindi e’ una formidabile sonda per esplorare zone irraggiungibili: interno del Sole e della Terra, lontano irraggiungibili: interno del Sole e della Terra, lontano Universo, eccUniverso, ecc. .


@ I fotoni, prodotti all’interno del Sole, impiegano ca.100000 anni ad uscire dalla nostra stella, mentre i neutrini escono da essa in 2-3 secondi: quindi i neutrini danno informazioni sul funzionamento del Sole in tempo reale.

@ I neutrini sono I primi messaggeri a raggiungerci quando esplode una Supernova.

@ Come abbiamo gia’ detto, possono attraversare l’Universo rimanendo indisturbati.

@ Ma ugualmente attraversano la Terra senza essere perturbati

Esempio:


Earth structure

Nocciolo interno -SOLIDO

•Dimensioni della Luna;• lega Fe – Ni ;• solido a causa dell’alta pressione,malgrado la temperatura di ~ 5700 K;

Nocciolo esterno-liquido

•Spessore 2260 Km- lega Fe-NI • liquido-•temperatura ~ 4100 – 5800 K;• geodynamo: Moto di liquido conduttivo;

D’’ layer: transizione mantello- nocciolo• spessore: ~200 km;• discontinuita’ sismica;


Mantello inferiore

• alto rapporto Mg/Fe ; • T: 600 – 3700 K;• alta pressione: viscoso;• spessore:~2000 km

Zona di transizione

•400-650 km di spessore •Sede delle fessurazioni oceaniche;

Mantello superiore

Altamente viscoso, sul quale galleggiano le placche tettoniche


La crosta terrestre

• Crosta oceanica:• spessore ~ 10 km;•Sede delle fessurazioni oceaniche • Crosta continentale ;• spessore: 30 – 70 km ;• metamorfico,• Sede di rocce sedimentarie


Come avere informazioni sull’interno della Terra?

Sismologia

Informazioni sulla densita’ e sulla fase:liquido o solido;ma non si ottengono informazioni sulla composizione chimica

P – onde longitudinaliS – onde trasversali


Geochimica1) Misure dirette @carotaggi (max:12 km.) nella crosta continentale; meno profondi in quella oceanica @rocce portate dalla eruzioni vulcaniche @studio del mantello dalle fessurazioni oceaniche

2) Modelli geochimici @meteoriti @composizione del Sole

Bulk Silicate Earth (BSE)

Evoluzione del mantello dalla suacostituzione primordiale dopo laseparazione Fe-Ni, ma utilizzandoanche le misure dirette.

Calore terrestre

31-46 TW gradiente di temperatura nella crosta-gradiente nelle fessure oceaniche

19-46 TW stima dell’energia termica dovuta ai decadimenti radioattivi-georeattore

238U 206Pb + 8 + 8 e- + + 6 anti-neutrinos + 51.7 MeV232Th 208Pb + 6 + 4 e- + + 4 anti-neutrinos + 42.8 MeV40K 40Ca + e- + + 1 anti-neutrino + 1.32 MeV


Vi sono nel mondo solo due rivelatori capaci di studiare i geoneutrini


Zona del Gran Sasso

Misura del sedimento

Studio della crosta

(Engadina)


Studio dei geoneutrini per sapere:

@- Qual’e’ la frazione di calore terrestre prodotto dai decadimenti radioattivi

@- Quanto calore radioattivo e’ prodotto nel mantello- differenziazione fra crosta continentale e crosta oceanica

@- C’e’ radioattivita’ anche nel nocciolo?


e pe+

MeV

n

Evisible = Te + 2*0.511 MeV =

= Tgeo- – 0.78 MeV

PROMPT SIGNALPROMPT SIGNAL

p

n

MeV

MeV

DELAYED SIGNALDELAYED SIGNAL

mean n-capture time on p200 s

Come si rivelano gli anti-neutrini


Antineutrini da reattori.


Studio delle caratteristiche dei reattori- “data base” e contatti diretti con IAEA e EdF

• Composizione del combustibile• Flusso di antineutrini• Spettro in energia• Potenza media mensile o settimanale• Distanza dal Gran Sasso• Probabilita’ di interazione dell’ antineutrino


Simulazione di eventi falsi da parte della radioattivita’ Naturale:

€

neutroni prodotti da muoni cosmici

@ altissimo livello di purificazione

@ ottimo schermo delle rocce dai raggi cosmici- laboratorio underground


Detector design and layout

Water Tank: and n shield water Ch

detector208 PMTs in water2100 m3

20 legs

Carbon steel plates

Scintillator:270 t PC+PPO in a 125 m thick nylon vessel

Stainless Steel Sphere:

2212 photomultipliers 1350 m3

Nylon vessels:Inner: 4.25 mOuter: 5.50 m

Design based on the principle of graded shielding


Records in the radiopurity achieved by BorexinoMaterial Typical conc. of

the unpurifiedmaterials

Radiopurity levels in the Bxscintillator

14C scintillator 14C/12C<10-12

238U,232Th equiv. - Hall C dust- stainless. steel- nylon

~1 ppm ~1ppb~1ppt

Knat Hall C dust ~1 ppm

222Rn - external air.- air underground

~20 Bq/m3

~40-100 Bq/m3

85Kr39Ar

in N2 for stripping ~1.1 Bq/m3

~13 mBq/m3

- 222Rn- 238U,232Th equiv.

LNGS - Hall C water ~50 Bq/m3

~10-10 g/g

€

14C /12C ≅ 2 ⋅10−18

€

10−17 −10−18g /g

€

<10−14 g /g

€

<1 μBq /m3

€

~ 0.16 mBq /m3

~ 0.5 mBq /m3

€

~ 30 μBq /m3

~ 10−14 g /g


0,0000000000000000002 g di contaminante radioattivoa fronte di 1 g di materiale rivelante

Cioe’ un miliardesimo di un miliardesimo di materialee’ radioattivo

Emissione dalle rocce assorbite dalle 2100 tonnellate d’acqua, purificata anch’essa

Schermo ai raggi cosmici da 2500 m circa di roccia.


Interno del Counting Test Facility


Spettro aspettato teoricamente

Come si dovrebbeosservare nel rivelatore


Simulazione con ilcomputer Risultato sperimentale

• Presa dati: Dec 2007 to Dec 2009; 537.2 giorni effettivi537.2 giorni effettivi

•21 anti-21 anti- candidati in totale candidati in totale

BOREXINO 2010


BSE

Max radiogenic

Min radiogenic

68%, 90% and 99.73% C.L.

Confronto con i modelli


Kamland


Moto conduttivo nel mantello- rete di esperimenti nel mondoMappa delle differenze di distribuzione di calore nel mantello


SNO+

Esperimenti futuri


ConclusioniConclusioni

@ E’ dimostrata l’esistenza dei geo-neutrini, antineutrini emessi nei decadimenti radioattivi all’interno della Terra

Essi provengono sia dalla Crosta sia dal Mantello

I decadimenti radioattivi sono la principale sorgente di calore terrestre; forse essi producono il 100% del calore terrestre.Per conoscere la percentuale esatta bisogna raccogliere piu’ dati (2-3 anni)

La dislocazione del calore all’interno del mantello, causa dei fenomeni vulcanici e tettonici, potrebbe essere ottenuta mediante un certo numero di esperimento, tipo Borexino, dislocati in vari punti sulla Terra ( 2 funzionanti e due in progetto- almeno 10 anni)

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