Il premio Nobel 2002: nuovi modi per guardare il cielo

1. Il premio Nobel 2002:nuovi modi per guardare il cielo Riccardo Giacconi “per contributi pioneristici all’astrofisica,che hanno condotto alla scoperta delle sorgenti cosmiche di raggi X” Ray Davis e Masatoshi Koshiba “per contributi pioneristici all’astrofisica, in particolare per la rivelazione dei neutrini cosmici”

2. C’e’ modo e modo di vedere:la luce visibile • Sorgente di radiazione • Interazione • Rivelatore (occhio)

3. C’e’ modo e modo di vedere:i raggi X • Se voglio vedere all’interno uso una radiazione più penetrante • ancora una radiazione e.m • Rivelatore (lastra ....occhio)

4. C’e’ modo e modo di vedere:il neutrino • Radiazione diversa • Il rivelatore e’ ancora più complicato...

5. Carta di Identità del neutrino • Particella, associata a un tipo di radiazione • Nascita: 1930 • Maternità/Paternità: Pauli Fermi (Pontecorvo) • Residenza: quasi ovunque • Provenienza: stelle, reattori nucleari, acceleratori di particelle... • Segni particolari: Estremamente elusiva (penetrante) • Massa: “estremamente piccola”, rispetto alle altre particelle

6. Underground physics Per rivelare una radiazione elusiva, penetrante, occorre schermarsi dalle altre radiazioni

7. Sole n Cl cont. Davis: un formidabile esperimento di radiochimica • Davis cercava i prodotti delle reazioni nucleari indotte dai neutrini provenienti dal sole: n+ 37Cl -> 37Ar + e • (reazione di Pontecorvo). • L’ Argon prodotto si accumula nel rivelatore. Gli atomi di 37Ar sono radioattivi e entro un mese si trasformano in 37Cl:37Ar + e ->n+ 37Cl • Occorre separare gli atomi di Ar dal Cl e contarli, mediante il loro decadimento.

8. Un ago in un pagliaio? In 400 tonnellate di varichina Davis doveva aspettarsi di produrre un atomo di Ar al giorno, da individuarsi fra i circa 1031 atomi*) di Cloro Un pagliaio contiene circa 108 pagliuzze (cento milioni). E’ come cercare un ago in un pagliaio grande come la terra. *) 1031 =1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 0

9. La scoperta e il puzzle deineutrini solari • Davis trovò un atomo di Ar ogni tre giorni, un terzo di quelli attesi. • Un risultato importante: la prima osservazione dei neutrini provenienti dal Sole • Un interrogativo importante: che succede ai neutrini per strada? • Il puzzle dei neutrini solari è stato sostanzialmente risolto negli ultimi anni, grazie ai risultati di Gallex al Gran Sasso, di SNO in Canada e ai lavori del gruppo di Koshiba. Si e’ormai convinti che due terzi dei neutrini abbiano una metamorfosi per strada (oscillazioni di Pontecorvo).

10. Koshiba: il primo telescopio a neutrini • Davis non poteva dire da dove venivano i neutrini. • Koshiba pensò di realizzare un “telescopio”rivelando gli elettroni che vengono urtati dai neutrini • n+ e(fermo) -> n + e( in moto) • L’elettrone viene emesso principalmente nella direzione • da cui proviene il neutrino • Poiché la sua velocità è maggiore della velocità della luce nell’acqua, emette luce “Cerenkov”, dalla cui distribuzione si puo’risalire alla direzione dell’elettrone e a quella del neutrino

11. Kamiokande e SuperKamiokande Una famiglia di rivelatori Cerenkov ad acqua in una miniera delle Alpi giapponesi. Il più recente, SK, contiene 20.000m3 d’acqua ed è equipaggiato con oltre 10.000 fototubi

12. Superkamiokande

13. I risultati I) La conferma di Davis: I neutrini vengono dal sole ii) La rivelazione dei neutrini dalla Supernova SN1987a iii) L’oscillazione dei “neutrini atmosferici”

14. Il cuore del rivelatore Sono i fototubi sviluppati appositamente dalla Hamamatsu Il MITI finanziò un progetto di sviluppo tecnologico congiunto della Hamamatsu e dell’Università Metropolitana di Tokio Il Giappone ha oggi un premio Nobel e l’industria leader mondiale della produzione di fototubi. 50 cm

15. Koshiba e il Gran Sasso Il laboratorio del silenzio cosmico La frontiera della radioattività zero Koshiba, membro del Comitato Scientifico del Gran Sasso, aveva suggerito di installare un rivelatore Cerenkov (SK) al Gran Sasso e l’allora Direttore Bellotti aveva compreso la validità del progetto.

16. Bruno Pontecorvo Tre grandi idee: i)il sole come sorgente di neutrini ii) il metodo del Cl-Ar iii)Le oscillazioni (metamorfosi) dei neutrini

17. Uno sguardo al futuro Nel 1940 Pontecorvo aveva applicato gli studi svolti nel gruppo di Roma inventando il “neutron log”uno strumeno ancora oggi usato per le prospezioni geologiche. Adesso che abbiamo imparato a sufficienza sui neutrini, dobbiamo cercare di imparare dai neutrini

18. La materia oscura nell’universo • All’interno delle galassie e fra le galassie c'è della materia (ed energia) che non brilla, oscura. • La “materia-energia” oscura costituisce il 90% dell’Universo, ma non sappiamo di che e’ fatta. • La materia oscura potrebbe essere fatta di i neutrini primordiali, se i neutrini hanno una piccola massa[ m(n)=10-6m(e)]

19. I neutrini da supernovae • Lo 0.1% dell’energia di una supernova e’ in radiazione visibile, e il 99.9% e’ trasportato da neutrini • Nel 1987, per la prima volta sono stati rivelati neutrini da SN • I neutrini da SN saranno lo strumento per lo studio della struttura interna

20. I neutrini della Terra • La terra e’ radioattiva • Quanto e’ il contenuto di elementi radioattivi all’interno della terra? • Rivelare (anti) neutrini prodotti dall’interno terrestre e’ ilmodo per misurare la “radioattività” della terra. • In questo modo potremo comprendere il contributo radiogenico al calore terrestre.

21. Kamland (Jap) e Borexino (GS) Progettati per rivelare neutrini dal sole e da reattori avranno anche i primi segnali dei geo-neutrini.