Il neutrino e la materia oscura: fra curiosità e precarietà. Gianfranca De Rosa Dip. di Scienze Fisiche & INFN

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1 Il neutrino e la materia oscura: fra curiosità e precarietà Gianfranca De Rosa Dip. di Scienze Fisiche & INFN

2 Di contratto in contratto Produzione di Charm in interazioni di neutrino Ricerca di Oscillazioni di neutrino Esperimento OPERA ( ) Ricerca di raggi cosmici con esperimenti nello spazio Esperimento PAMELA ( ) Esperimento CHORUS ( ) Ricerca di neutrini astrofisici Progetto NEMO-KM3Net (2005-oggi) Ricerca di Oscillazioni di neutrino Esperimento T2K. (2005-oggi) Esperimenti diversi, varie attività di ricerca e casi di fisica, nell ambito della fisica delle Astroparticelle

3 Due misteri ancora da chiarire: Cosa è la materia oscura? I neutrini hanno massa? E poi: c è un legame tra i neutrini e la materia oscura?

4 La Materia oscura Osservando le stelle della Via Lattea si trova che la loro rotazione intorno al centro galattico è più veloce di quanto previsto dai calcoli teorici, che tengono conto della forza di gravità esercitata dalla massa osservata (visibile) dell intera galassia. La stessa osservazione è stata fatta anche riguardo alle galassie, le cui stelle più esterne ruotano ad una velocità maggiore del previsto.

5 La Materia oscura Deve esistere un quantitativo di materia non visibile, ma "attivo" gravitazionalmente che giustifica quei valori di velocità misurati: deve esserci molta più materia di quella che possiamo vedere! Da questa e da altre osservazioni si deduce che il 90% della materia presente nel cosmo è composta da oggetti o da particelle che non possono essere viste: in altri termini, la maggioranza della materia cosmica non emette luce (o meglio radiazione). Questa "massa mancante" è chiamata materia oscura, un nome che tiene conto appunto della sua fondamentale caratteristica: l'invisibilità.

6 I neutrini I neutrini sono particelle elementari neutre prodotte nelle interazioni nucleari che avvengono nelle stelle (e in particolare nel Sole), nell interazione dei raggi cosmici con l atmosfera terrestre, ma possono essere anche generati in altri tipi di processi o creati agli acceleratori. Esistono tre diversi tipi di neutrini (ν e, ν µ, ν τ ) associati a tre diverse particelle cariche (e, µ, τ). Nel modello teorico che descrive le particelle elementari, la massa dei neutrini è nulla. Tutti gli esperimenti che hanno studiato i neutrini provenienti dal Sole o dalle interazioni dei raggi cosmici con l atmosfera, indicano una discrepanza con i modelli teorici spiegabile inevitabilmente con una massa non nulla per queste particelle. Se hanno massa, neutrini di un certo tipo possono trasformarsi in neutrini di un altro tipo e sfuggire alla

7 I neutrini Nel formalismo della meccanica quantistica, il fenomeno delle oscillazioni di neutrino è descritto dalla matrice di mescolamento che trasforma neutrini con una certa massa (ν 1, ν 2, ν 3 ) in neutrini con un dato sapore (ν e, ν µ, ν τ ): La probabilità che si abbia oscillazione dipende da alcuni parametri: - gli angoli di mescolamento θ 12 e θ 23 - le differenze delle masse al quadrato Δm 122 = m 12 -m 2 2 e Δm 232 = m 22 -m il termine e iδ che tiene conto della possibile violazione di una importante proprietà di simmetria: CP (Coniugazione di Carica e Parità) L obiettivo degli esperimenti che ricercano oscillazioni di neutrino è la misura di questi parametri.

8 La presenza di una massa diversa da zero per i neutrini avrebbe interessanti implicazioni di carattere astrofisico e cosmologico. In particolare: Se la massa dei neutrini è non nulla, potrebbero essere la componente della materia oscura!

9 In questo scenario viene progettato l'esperimento CHORUS: Microscope event view 150 µm In questo esperimento emulsioni nucleari consentono di fotografare l interazione di neutrino 120 µm

10 Ma Super-Kamiokande (1998): l anomalia dei neutrini atmosferici è interpretabile come oscillazione di neutrino ν µ ν τ CHOOZ (reattore): l oscillazione ν µ ν e non può spiegare l anomalia K2K e MINOS (acceleratori) confermano il segnale di SuperKamiokande Δm 2 32 = (2.43±0.13) 10-3 ev 2 s in 2 2θ 23 = 1.0 CHORUS non poteva osservare le oscillazioni di neutrino perché la regione dei parametri che investigava è diversa da quella in cui il segnale di oscillazione è stato rivelato. La massa del neutrino non può spiegare la materia oscura Il limite posto da CHORUS: sin 2 2θ µτ < per grandi valori di Δm 2 (CHORUS Coll. Nucl.Phys.B793: ,2008). Altro contributo di CHORUS: studio della produzione di charm in interazioni di neutrino

11 Per confermare il segnale di oscillazione osservato da SuperKamiokande è progettato l esperimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion tracking Apparatus ), attualmente in fase di acquisizione nei laboratori del Gran Sasso. L obiettivo dell esperimento è la rivelazione dell apparizione del neutrino di tipo τ nel fascio di neutrini di tipo µ prodotti al CERN di Ginevra dopo aver viaggiato circa 730 km. La regione dei parametri di oscillazione esplorata è quella che descrive l anomalia dei neutrini atmosferici: Δm232 = (2.43±0.13) 10-3 ev2 s in22θ23 = 1.0

12 I neutrini oscillano! ma i parametri di oscillazione devono essere misurati al meglio! L esperimento T2K (Tokai to Kamioka), realizzato in Giappone e attualmente in fase di acquisizione, ha l obiettivo di misurare l angolo di mescolamento θ13 e migliorare la misura dei parametri Δm232 e θ23 e, in una fase futura, la misura del parametro di violazione di CP δ. T2K è esposto al fascio di neutrini di tipo µ prodotti all acceleratore JPARC ed è costituito da un rivelatore installato in prossimità del punto di creazione dei neutrini (nd280) e il rivelatore di SuperKamiokande a 295 km.

13 24 Febbraio 2010: Primo evento di neutrino osservato in SuperKamiokande Ad ogni punto colorato corrisponde un rivelatore attivato. I due cerchi che si vengono a formare indicano che un neutrino ha probabilmente prodotto una particella chiamata π 0

14 La scoperta delle oscillazioni di neutrino è una delle scoperte di fisica più eccitanti degli ultimi anni! La massa stimata per i neutrini è però comunque troppo piccola per spiegare la materia oscura. Probabilmente costituiscono parte della materia oscura (quella che viene chiamata materia oscura calda ) ma la natura della materia oscura rimane ancora non risolta. L ipotesi più accreditata prevede la materia oscura composta da particelle massive (con massa tra 10GeV qualche TeV), mai ancora osservate ma previste da estensioni del modello standard delle particelle elementari: i neutralini χ. Dall annichilazione di queste particelle si producono coppie particella-antiparticella che possono permettere la loro rivelazione.

15 Signal (supersymmetry) Lo spettro di positroni e antiprotoni che ci si aspetta secondo i modelli di propagazione dei raggi cosmici (produzione secondaria) viene modificato se l annichilazione del neutralino genera coppie elettronepositrone o protoneantiprotone. and background (GLAST-FERMI ( AMS-02 KM3Net, IceCube Annichilazione di Neutralino PAMELA (e AMS, Bess,.ecc)

16 Launch 15/06/06 L esperimento su satellite PAMELA ha quale obiettivo principale la ricerca indiretta di materia oscura attraverso la misura dei flussi di positroni e antiprotoni. Altri obiettivi di PAMELA: Ricerca di antimateria primordiale Studio della propagazione dei raggi cosmici Fisica solare..

17 I risultati di PAMELA: Il flusso di antiprotoni è consistente con quello atteso PAMELA Coll. Phys.Rev.Lett., Antiprotoni PAMELA Coll. Nature, Per energie superiori ai 10 GeV il flusso di positroni è molto maggiore di quello atteso! Positroni

18 PAMELA ha rivelato la materia oscura? Molte diverse interpretazioni dell anomalia.. Pulsar Component Atoyan et al. 95 Pulsar Component Yüksel et al. 08 KKDM (mass 300 GeV) Hooper & Profumo 07 Pulsar Component Zhang & Cheng 01 Secondary production Moskalenko & Strong 98 ma il segnale osservato potrebbe più probabilmente essere dovuta ad una sorgente astrofisica, probabilmente una pulsar.

19 Un altro modo per rivelare i neutralini è cercare i neutrini che vengono prodotti dalla sua annichilazione Se i neutralini costituiscono la materia oscura, c è una buona probabilità che rimangano intrappolati per effetto della forza gravitazionale, nel Sole o nella Terra. ρ χ Sun χ σ scatt Γ capture Γ annihilation velocity distribution ν interactions ν µ Earth ν int. µ int. Detector µ Si può quindi cercare un eccesso di neutrini di alta energia provenienti dal Sole, dal centro della Terra. Però per osservare neutrini con questa energia è necessario costruire rivelatori enormi, dalle dimensioni di circa 1 km 3

20 Per realizzare rivelatori così grandi, l unica possibilità è instrumentare grandi volumi naturali, come l acqua del mare o dei laghi, o il ghiaccio antartico Un progetto europeo prevede la realizzazione di un telescopio di neutrini nel Mar Mediterraneo: KM3Net NESTOR ANTARES NEMO Mediterranea n km 3 AMANDA ICECUBE BAIKAL DUMAND Oltre alla ricerca di materia oscura, i telescopi di neutrino ci permetteranno una maggiore comprensione dei fenomeni alla base del nostro Universo. Infatti, i neutrini, essendo elettricamente neutri ed interagendo solo debolmente con la materia, sono in grado di attraversare enormi distanze senza essere né assorbiti né deflessi dai campi magnetici. Costituiscono quindi una sonda astronomica preferenziale per l osservazione dei fenomeni astrofisici di alta energia Neutrino Astronomy: una nuova finestra sull Universo!!

21 Il neutrino è una delle particelle più sfuggenti e per questo più affascinanti della fisica moderna. La comprensione delle sue proprietà ci permetterà una migliore conoscenza dei meccanismi alla base del nostro Universo Potrebbe aiutarci ad identificare la materia oscura.tante cose ancora da studiare e capire!

22 Di contratto in contratto Produzione di Charm in interazioni di neutrino Esperimento CHORUS Ricerca di Oscillazioni di neutrino Esperimento T2K Ricerca di Oscillazioni di neutrino Esperimento OPERA Ricerca di neutrini astrofisici Progetto NEMO-KM3Net Ricerca di raggi cosmici con esperimenti nello spazio Esperimento PAMELA Tra la ricerca di un nuovo contratto e la curiosità!!

23 Un altra grande questione ancora aperta: Esperimento CHORUS 14% Donne (2005) Esperimento OPERA 23% Donne (2010) Esperimento T2K N.C PAMELA 20% Donne (2009) NEMO 15% Donne (2006) E in rarissimi casi donne con ruoli di alta responsabilità! A cosa è legata l asimmetria della partecipazione di uomini e donne ai nostri esperimenti???

24 e ecco qua!