FISICA DEL SOLE E NEUTRINI SOLARI

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1 FISICA DEL SOLE E NEUTRINI SOLARI Barbara Ricci Università di Ferrara & INFN-Ferrara ricci@fe.infn.it Corso di Eccellenza,Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra 1 Ferrara, 15 Aprile 2013

2 Indice: 1. Le principali osservabili solari 2. Produzione dei neutrini solari 3. Rivelazione dei neutrini solari 4. Oscillazione dei neutrini 5. Conclusioni 2

3 Massa del sole M o = (1 0.15%) kg Circa volte la massa della Terra 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 3

4 Raggio solare: distanza tra il centro del sole e la superficie visibile (fotosfera) R o = (1 0.04%) 10 5 km Terra R T 6000 km 4

5 Eta del sole Datazione radiochimica degli oggetti piu vecchi nel sistema solare, meteoriti condritiche: t s =4.57(1 0.4%) Gyr Ne vivra ancora altrettanti prima di diventare una gigante rossa per poi spegnersi come nana bianca t terra 4,5 Gyr 1Gyr= 10 9 yr 5

6 Luminosità del sole L o =3.844(1 0.4%) J/s Energia prodotta nell unita di tempo Una centrale nucleare produce circa 3x10 9 W Quello che si misura in realtà è la costante solare: K o =1.4 kw/m 2 Esercizio: ricavare la luminosità dalla costante solare, sapendo che la distanza terra-sole e d=1.5 x m 6

7 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 K sulla terra: 35% di Fe, 30% di O, 25% di Si ; T 300 K *L elio e stato scoperto per la prima volta nella corona solare nel

8 Rotazione del sole Rotazione differente ai poli e all equatore, non e una novita. 0.1 Rs 0.7 Rs 8

9 Rotazione del sole Rotazione differente ai poli e all equatore, non e una novita. Al di sotto di 0.7 R o il sole ruota quasi uniformemente* Sulla rotazione del nucleo ancora non si riesce a dire niente *Importantissimo successo dell eliosismologia 0.1 R o 0.7 R o 9

10 Diverse immagini del sole X UV visibile IR radio.superficie del sole 10

11 Un occhiata all interno Nucleo (1/3 M s R < 0.1R o ) : reazioni di fusione nucleare: in 1 sec di ton di H sono convertite in He, liberando energia T 16 milioni di gradi Zona radiativa (2/3 M s 0.7R o < R< 0.7R o ) : l energia e trasportata dai fotoni, cioè dalla rad. e.m. Zona convettiva (2% M s R >0.7R o ): 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 ATTENZIONE! Il sole e opaco alla radiazione. La luce che arriva a noi proviene dalla superficie (fotosfera) e non 11 direttamente dal centro

12 Quale fonte di energia per le stelle? L energia gravitazionale può sostenere la luminosità del sole solo per circa 30 milioni di anni: E G =GM o2 /R o J L o = J/s t o =4.57 Gyr E tot =L o t o J Troppo poco per rendere conto dell evoluzione dei processi biologici e geologici Comprendere la fonte di energia delle stelle era il problema scientifico del secolo scorso: quale fonte di energia può sostenere il sole per circa 12 5 miliardi di anni?

13 La nascita dell astrofisica nucleare Einstein: E=mc 2 Aston: m(he)<4 m(h) Eddington: 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) [5%M o c J] 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 13 this latent power for the well-being of the human race - or for its suicide

14 Energia nucleare -G. Gamow propose negli anni 60 che all interno del sole avvenisse la reazione di fusione: 4 p -> 4 He + 2e + +2neutrini + 27 MeV* -Come dimostrarlo? I neutrini riescono ad attraversare la stella e giungono fino a noi. -Occorre rivelare i neutrini per avere la prova della fonte di energia del sole *1 MeV= J 14

15 Carta 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: piccola, quasi zero Segni particolari: Estremamente elusiva/penetrante 15

16 Particelle molto elusive Quanti sono i neutrini solari? Calcoliamolo: costante solare: K o 1.4 KW/m2 ogni 2 neutrini si libera: Q=27 MeV flusso di neutrini sulla terra (esercizio): F n =2 K o /Q neutrini/m 2 /s * Sono tanti ma interagiscono debolmente con la materia Nel rivelatore GNO (30 ton di Gallio), si hanno 0.5 eventi / giorno *muoni cosmici a livello del mare: 100 muoni/m 2 /s 16

17 Underground physics Per rivelare una radiazione cosi elusiva, penetrante, occorre difendersi dalle altre radiazioni (raggi cosmici, radioattivita naturale) Bisogna andare sottoterra e in zone a bassa radioattivita 17

18 Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN) Il laboratorio del silenzio cosmico La frontiera della radioattività zero S.S. 17 BIS km Assergi L Aquila tel info@lngs.infn.it 18

19 Laboratori Nazionali del Gran Sasso Gli uomini Gli scavi 19

20 p a s s a t o I rivelatori MACRO GNO p r e s e n t e BOREX I NO OPERA ICARUS 20

21 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: oscillazione di neutrino (Pontecorvo 1957); possibile solo se i neutrini hanno massa, anche se piccolissima *RJ Davis Jr, M. Koshiba e R. Giacconi premio Nobel per la fisica

22 I neutrini oscillano! SNO 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 Kamland Neutrini atmosferici : circa meta dei neutrini prodotti dalla interazione dei raggi cosmici con l atmosfera oscillano (esp. MACRO, Kamiokande, Superkamiokande) 22

23 The Borexino LNGS Stainless Steel Sphere: R = 6.75 m 2212 PMTs 1350 m 3 Scintillator: 270 t PC+PPO (1.5 g/l) in a 150 mm thick inner nylon vessel (R = 4.25 m) Buffer region: PC+DMP quencher (5 g/l) 4.25 m < R < 6.75 m Water Tank: g and n shield m water Č detector 208 PMTs in water 2100 m 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.

24 Fototubi in Borexino 24

25 Borexino: sfera di nylon 25

26 Borexino: risultati (1) Oscillazione di neutrini solari a basse energie e ad alte energie Segnale osservato/segnale atteso Probabiita di non-oscillazione in funzione dell Energia dei neutrini *figura da G. Statera:, Neutrino Telescopes, march 2013, Venice, Italy 26

27 Borexino: risultati (2) 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. 27 *figure da G. Statera:, Neutrino Telescopes, march 2013

28 Borexino: non solo Sole.. Rivelazione di antineutrini prodotti dal decadimento di materiale radioattivo (U e Th) presente nella crosta e nel mantello terrestre (geo-neutrini) Nel periodo sono stati osservati 23 eventi dovuti ai geoneutrini *figura da G. Statera:, Neutrino Telescopes, march 2013, Venice, Italy 28

29 Da Ginevra al Gran Sasso Sparare neutrini prodotti al CERN di Ginevra sotto la crosta terrestre per 732 Km in questo viaggio i neutrini possono oscillare 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 29

30 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 30

31 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 31

32 Venite a trovarci! 32.for continuing our studies on neutrinos