pinguini al polo sud Seminario

Paolo Desiati 1

Dal Liceo Agnoletti al midwest americano …

e … al Polo Sud

Paolo Desiati

Paolo Desiati 2

Da Firenze …

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Paolo Desiati3

… al Gran Sasso …

Paolo Desiati4

… a Berlino …

Paolo Desiati 5

… al Wisconsin …

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Paolo Desiati 6

… anzi a Madison …

Paolo Desiati 7

… ma anche al Polo Sud !

Paolo Desiati 8

Liceo Scientifico A.M.E. Agnoletti 24 Ottobre 2007

from Quark n.36, 02/01/04

Rivelazione dei Neutrini al Polo Sud

Paolo Desiati

University of Wisconsin – Madison

http://icecube.wisc.edu

Paolo Desiati 9

Breve Stroria del Neutrino

• 1898 Henri Bequerel scopre della radioattivita’ … elettroscopio

• 1926 il problema della radioattivita’ beta

• 1930 Wolfgang Pauli ipotizza una particella neutra invisibile

• 1933 Enrico Fermi conia la parola neutrino e costruisce la Teoria delle Interazioni Deboli

• 1956 Frederick Reines scopre il neutrino (_νe o elettronico)

• 1962 scoperta di un altro tipo di neutrino (_νμ o muonico)

Leon Lederman Melvin Schwartz Jack Steinberger

• 1973-5 Raymond Davis rivela i neutrini solari : deficit rispetto alle previsioni

• 1973 André Lagarrigue scopre le correnti neutre

• 1977 Martin L. Perl scopre l’elettrone pesante _τ, o tau (_ντ)

Paolo Desiati 10

Breve Stroria del Neutrino

• 1990 il mistero della materia oscura nell’Universo e il ruolo dei neutrini collegamento dei neutrino con l’Astrofisica e i Raggi Cosmici

• 1991 al CERN di Ginevra prova che esistono SOLO 3 famiglie di neutrini

• 1994 prima indicazione dell’oscillazione dei neutrini

• 1995 GALLEX al Gran sasso conferma il deficit dei neutrino solari

• 1998 prova dell’oscillazione dei neutrini

• 2002 Masatoshi Koshiba (con Raymond Davis Jr)

vincono il premio nobel per l’oscillazione dei neutrini

Paolo Desiati 11

Necessita’ del Neutrino

La materia ordinaria e’ fatta di

• elettroni

• protoni e neutroni che si

trasformano durante le reazioni nucleari

La radioattivita’ beta inspiegabile senza una particella neutra che non interagisce con la materia, e percio’ invisibile

• il concetto di interazione debole

“Ho fatto una cosa terribile. Ho inventato una particella che non puo’ essere rivelata” (Wolfgang Pauli)

Paolo Desiati 12

sorgenti di _ν

Reattori Nucleari Ε_ν ∼ few MeV

Corpo Umano Φ_ν ^{= 340 x 106}ν^/day

Radioattivita’ Terrestre

Φ_ν∼ 6 x 10⁶ν^/cm2s Acceleratori

E_ν ~ 0.3 – 30 GeV Il Sole

νe

Φ_ν^{Terra= 6 x 1010} ν ^{/ cm2s} E_ν∼ 0.1 – 20 MeV

Il Big Bang ρ_ν ^{= 330} ν ^{/ cm3} E_ν = 0.0004 eV

(1 eV = 1.6 x 10^-19 Joules)

SN1987 E_ν∼MeV

ν atmosferici νe^,ν_μ^,νe^,ν_μ Φ_ν∼¹ν ^/cm2s E_ν∼0.1– 100 GeV

- -

Paolo Desiati 13

Curiosita’

• Il nostro corpo contiene circa 20 mg di Potassio 40 (⁴⁰K), che e’ beta- radioattivo. Pertanto, noi emettiamo circa 340 milioni di neutrini al giorno senza saperlo

• Dovunque ci troviamo sulla Terra, persino nel sottosuolo, veniamo attraversati da

• 400.000 miliardi di neutrini al secondo emessi dal Sole

• ~50 miliardi dalla radioattivita’ naturale della Terra

• 10-100 miliardi emessi da Centrali Nucleari in tutto il Mondo

• … ma solamente uno (una manciata!) di tutti questi neutrini interagisce nel nostro corpo durate la durata della vita …

• definizione: Un elettronvolt (eV) corrispode all’energia acquistata/persa da un’elettrone nell’attraversare una differenza di potenziale elettrico di 1 Volt. Una normale batteria tupo AA (perl il telecomando della televisione) ha una differenza di potenziale di 1.5 V. Una lampadina da 40 W utilizza circa 10²⁴ eV di energia ogni ora.

Paolo Desiati 14

Cos’hanno di speciale i Neutrini ?

•

sono divisi in 3 famiglie, o sapori

• elettronico _νe

• muonico _νμ

• tauonico _ντ

• non hanno carica elettrica

• non hanno massa

• o e’ molto piccola

• a causa della piscola massa, i neutrini cambiano sapore, o oscillano

• non interagiscono con la materia

• o lo fanno molto raramente : interazioni deboli

• Big Bang o origine dell’Universo, funzionamento del Sole e delle stelle

• massa oscura ed origine dei raggi cosmici di alta energia

• messaggeri cosmici

• neutrini extra-terrestri : Sole, SN1987a, …?

• connessione con i Raggi Cosmici

Paolo Desiati 15

Neutrini e Raggi Cosmici

• un elettroscopio su un pallone rivela radiazione ad alta quota

• 1912 Victor F. Hess scopre che la radiazione di fondo aumenta con la quota (fino a 5300 m)

• la radiazione di fondo e’ composta diRaggi Cosmici che includono:

• ~ 50% protoni

• ~ 25% particelle alpha (nucleo di elio)

• ~ 13% nuclei di C/N/O

• < 1% elettroni

• < 0.1% fotoni (raggi gamma)

• lo spettro dei Raggi Cosmici si estende in un vastissimo intervallo di energia (1 GeV = 10⁹ eV)

• Raggi Cosmici di Origine Galattica e quelli di origine exra-galattica : qual’e’ la loro origine ?

ginocchio 1 m^-2 yr^-1

Caviglia 1 km^-2yr^-1

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Paolo Desiati21

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Cas A supernova remnant in X-rays

Fronte d’urto

onde d’urto che

accelerano elettroni e

protoni

The Strange Case of the Cosmic Rays

origine galattica

origine exra-galattica

ancora misteriosa:

energie altissime

Paolo Desiati 24

Quali oggetti extra-galattici e quali energie ?

AGNs ^GRBs

clusters

sono stati osservati raggi cosmici di ~3x10

eV !

ci aspettiamo neutrini cosmici di alta/altissima energia

E

~ 50 Joules

• energia cinetica di una palla da baseball a 100 km/h

• energia cinetica di una palla da tennis alla battuta (220 km/h)

Paolo Desiati 25

Come si vedono i Neutrini ?

•

i neutrini sono visibili SOLO se

interagiscono con la materia

• ma interagscono RARAMENTE

• enormi volumi

• schermo dalla radiazione di fondo

• esperimenti sotto terra

• sotto i mari o i ghiacci del Polo Sud

Interazione

nucleare

μ ^(muon)

ν

il muone ha carica elettrica e’ facilmente rivelabile

e’ possibile associare un muone ad un neutrino

Paolo Desiati 26

Come si vedono i Neutrini ?

• Effetto Cherenkov

Una particella carica che viaggia in un mezzo trasparente piu’ veloce della luce nel mezzo, emette luce ad un angolo che dipende dall’indice di rifrazione del mezzo

Paolo Desiati 27

i neutrini

attraversano la

Terra

rivelatore in un mezzo

trasparente

sensori ottici

Paolo Desiati 28

neutrino

• raramente un neutrino urta il

nucleo di un atomo nel ghiaccio

e produce una reazione nucleare

reazione

nucleare

i neutrini

attraversano la

Terra

muone

Paolo Desiati 29

neutrino

reazione

nucleare

muone

i neutrini

attraversano la

Terra

• raramente un neutrino urta il

nucleo di un atomo nel ghiaccio

e produce una reazione nucleare

• il muone prodotto puo’ attraversare

chilometri di ghiaccio

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• i sensori ottici catturano e mappano la luce blu

reazione

nucleare

Luce

Cherenkov

• raramente un neutrino urta il

nucleo di un atomo nel ghiaccio

e produce una reazione nucleare

• il muone prodotto puo’ attraversare

chilometri di ghiaccio

muone

Paolo Desiati 31

come costruire un telescopio di neutrini

Coda

Coda di _di condensazione condensazione

di di un jet _{un jet} che _che viaggia _viaggia

piu piu ’ _’ veloce _veloce del _del suono _suono

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Fotomoltiplicatore

1 cm

Paolo Desiati33

s e n s o re o tt ic o

Paolo Desiati34

Un telescopio d i N eutrini

Seven Wonders of Modern Astronomy

The Sharpest The Biggest The Farthest Flung

The Most Extensive The Swiftest The Deadliest

The Wierdest

www.sciam.com/1999/1299engineering/1299musser.html

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Ma che strano telescopio !

Alimentazione: 760 l/m @ 1000 psi (68 atm), 190 °F (88 °C) Ritorno: 730 l/m @ 33 °F (0 °C)

Potenza Termica: 4.5 MW

Enhanced Hot Water Drill e’ stato progettato per produre buchi nel giaccio di 60 cm e profondi 2450 m, in sole 30 ore. Ogni foro utilizza 27,000 litri di carburante.

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Ma che strano telescopio !

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Visioni di Antartide

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Visioni di Antartide

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Visioni di Antartide

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Visioni di Antartide

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