Lo strano caso del Signor Neutrino Davide Meloni

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1 Lo strano caso del Signor Neutrino Dipartimento di Matematica e Fisica, RomaTre

2 Quali particelle compongono la materia ordinaria Partiamo da: protoni neutroni elettroni nucleo costituenti fondamentali della materia Democrito ( circa a. C.) Opinione il dolce, opinione l'amaro, opinione il caldo, opinione il freddo, opinione il colore: in realtà soltanto gli atomi e il vuoto Epicuro ( a. C.) [ ] gli atomi hanno la stessa velocita' quando si muovono nel vuoto senza incontrare alcuna resistenza 2

3 Quali particelle compongono la materia ordinaria Partiamo da: protoni neutroni elettroni nucleo costituenti fondamentali della materia in una persona di 70 Kg: 7 x 1027 atomi ( ) in particolare: 4.22 x 1027 atomi di idrogeno, 1.61 x 1027 atomi di ossigeno, 8.03 x 1026 atomi di carbonio e 3.9 x 1025 atomi di azoto 3

4 E allora... dove sono questi neutrini? Io direi: copiosamente intorno a noi! 4

5 E allora... da dove provengono questi neutrini? dal Big Bang secondi dopo il Big Bang: i neutrini vengono prodotti 5

6 E allora... da dove provengono questi neutrini? dal Big Bang secondi dopo il Big Bang: i neutrini vengono prodotti 1 secondo dopo il Big Bang: i neutrini viaggiano liberamente nello spazio 6

7 E allora... da dove provengono questi neutrini? dal Big Bang secondi dopo il Big Bang: i neutrini vengono prodotti 1 secondo dopo il Big Bang: i neutrini viaggiano liberamente nello spazio Oggi: 330 ν per ogni centimetro cubo di spazio 7

8 Da dove provengono questi neutrini? Dalle esplosioni di supernovae emette in un minuto l energia emessa dal Sole in duecento anni il 99% dell'energia emessa va in neutrini! SN1987A - Ogni essere umano fu attraversato da miliardi di neutrini - Si può stimare che circa un milione di persone ebbero uno di tali neutrini interagente nel loro corpo! 8

9 Da dove provengono questi neutrini? dal Sole: luce e neutrini dalle reazioni termonucleari ~ 8 minuti 9

10 Da dove provengono questi neutrini? dal Sole: luce e neutrini dalle reazioni termonucleari circa 60 miliardi al secondo su ogni centimetro quadro! E su un uomo? fonte: Paolo Lenisa Breve storia del neutrino, Scienza per Tutti 10

11 Da dove provengono questi neutrini? dal Sole: luce e neutrini dalle reazioni termonucleari circa 60 miliardi al secondo su ogni centimetro quadro! 60 cm (???) Calcoletto: 180 cm 60 x 180 x 60 miliardi= = 648 mila miliardi di neutrini al secondo! 11

12 Da dove provengono questi neutrini? dal Sole: luce e neutrini dalle reazioni termonucleari circa 60 miliardi al secondo su ogni centimetro quadro! tuttavia: conteniamo 20 mg di Potassio 40 che decade in neutrini Io stesso emetto 340 milioni di neutrini al giorno! 12

13 Da dove provengono questi neutrini? dalla nostra atmosfera - raggi cosmici che incidono sugli strati superiori della nostra atmosfera Flusso ~ 1 cm-2 s-1 dalla Terra - circa 50 miliardi al secondo dalla radioattivita' naturale geoneutrini miliardi dalle centrali nucleari 13

14 Le due domande fondamentali Dato che non li percepiamo: Chi ce li ha ordinati? Viaggio nella storia della scoperta del neutrino Perche' non producono effetti? Viaggio nella fisica delle interazioni deboli 14

15 La radioattivita' naturale Nascita della fisica moderna: scoperta della radioattività da parte del fisico francese Henry Bequerel e dei coniugi Pierre e Marie Curie alla fine del XIX secolo alcuni minerali, contenenti uranio e radio, avevano la proprietà di impressionare delle lastre fotografiche poste nelle loro vicinanze. Una forma di radioattivita': la radiazione β: elettroni emessi da particolari atomi senza dare loro energia Raggi β Image by P.Lenisa 15

16 La radioattivita' naturale Un esempio: decadimento del neutrone n protone (p) + elettrone (e) Carica elettrica: OK 0 (+1) + (-1) 16

17 La radioattivita' naturale Un esempio: decadimento del neutrone n p+e Carica elettrica: OK 0 (+1) + (-1) Conservazione dell'energia: NO! Usiamo Einstein: E = mc2 mneutrone c2 > mprotone c2 + melettrone c2 + energia cinetica 17

18 La radioattivita' naturale Conservazione della quantita' di moto: NO! n p+e p n e particelle emesse in direzioni opposte e SEMPRE con la stessa energia 18

19 La radioattivita' naturale Conservazione della quantita' di moto: NO! n p+e p n e particelle emesse in direzioni opposte e SEMPRE con la stessa energia INVECE si osservo' qualcosa di differente: 19

20 Postulare una nuova particella E allora, che si fa? Abbandoniamo i principi di conservazione Niels Bohr: [...] non disponiamo di argomentazioni, empiriche o teoriche, per difendere il principio di conservazione dell'energia nel caso delle disintegrazioni con emissione di raggi β; anzi il tentare di farlo ci conduce a complicazioni e difficoltà 20

21 Postulare una nuova particella E allora, che si fa? Abbandoniamo i principi di conservazione Niels Bohr: [...] non disponiamo di argomentazioni, empiriche o teoriche, per difendere il principio di conservazione dell'energia nel caso delle disintegrazioni con emissione di raggi β; anzi il tentare di farlo ci conduce a complicazioni e difficoltà Ammettiamo l'esistenza di una nuova particella invisibile (Wolfgang Pauli ) «Ho fatto una cosa terribile: ho postulato l'esistenza di una particella che non può essere rivelata». 21

22 Postulare una nuova particella E allora, che si fa? Abbandoniamo i principi di conservazione Niels Bohr: [...] non disponiamo di argomentazioni, empiriche o teoriche, per difendere il principio di conservazione dell'energia nel caso delle disintegrazioni con emissione di raggi β; anzi il tentare di farlo ci conduce a complicazioni e difficoltà Ammettiamo l'esistenza di una nuova particella invisibile (Wolfgang Pauli ) «Ho fatto una cosa terribile: ho postulato l'esistenza di una particella che non può essere rivelata». Fermi: «Chiamiamolo NEUTRINO» 22

23 Postulare una nuova particella E allora, che si fa? Abbandoniamo i principi di conservazione Niels Bohr: [...] non disponiamo di argomentazioni, empiriche o teoriche, per difendere il principio di conservazione dell'energia nel caso delle disintegrazioni con emissione di raggi β; anzi il tentare di farlo ci conduce a complicazioni e difficoltà Ammettiamo l'esistenza di una nuova particella invisibile (Wolfgang Pauli ) «Ho fatto una cosa terribile: ho postulato l'esistenza di una particella che non può essere rivelata». Fermi: «Chiamiamolo NEUTRINO» Altri due fisici nucleari dell'epoca, Hans Bethe e Rudolph Peierls: «Non si riuscirà mai a vedere un neutrino!». 23

24 Postulare una nuova particella Lettera di Pauli del 4 Dicembre 1930, indirizzata ai partecipanti ad un congresso di Fisica a Tubinga Cari Signore e Signori Radioattivi, a causa dello spettro continuo del decadimento beta, ho pensato a un possibile disperato rimedio per salvare le statistiche e il principio di conservazione dell'energia. Si tratta della possibilità che esista nel nucleo una particella elettricamente neutra, che chiamerò neutrone (...) ma che sia diversa dai fotoni, in quanto non viaggia alla velocità della luce. La massa del neutrone dovrebbe essere simile a quella dell'elettrone e comunque non maggiore dell' 1% della massa del protone. [...] Concordo sul fatto che tale rimedio possa sembrare incredibile poiché avremmo già dovuto osservare tali neutroni. Ma solo chi osa può vincere e la situazione difficile in cui ci troviamo è ben illustrata da una frase che il mio illustre predecessore, il Sig. Debye, mi disse recentemente a Bruxelles:..., è meglio non pensarci per nulla...proprio come per nuove tasse... 24

25 Postulare una nuova particella Lettera di Pauli del 4 Dicembre 1930, indirizzata ai partecipanti ad un congresso di Fisica a Tubinga Cari Signore e Signori Radioattivi, a causa dello spettro continuo del decadimento beta, ho pensato a un possibile disperato rimedio per salvare le statistiche e il principio di conservazione dell'energia. Si tratta della possibilità che esista nel nucleo una particella elettricamente neutra, che chiamerò neutrone (...) ma che sia diversa dai fotoni, in quanto non viaggia alla velocità della luce. La massa del neutrone dovrebbe essere simile a quella dell'elettrone e comunque non maggiore dell' 1% della massa del protone. [...] Concordo sul fatto che tale rimedio possa sembrare incredibile poiché avremmo già dovuto osservare tali neutroni. Ma solo chi osa può vincere e la situazione difficile in cui ci troviamo è ben illustrata da una frase che il mio illustre predecessore, il Sig. Debye, mi disse recentemente a Bruxelles:..., è meglio non pensarci per nulla...proprio come per nuove tasse... 25

26 Postulare una nuova particella Lettera di Pauli del 4 Dicembre 1930, indirizzata ai partecipanti ad un congresso di Fisica a Tubinga Cari Signore e Signori Radioattivi, a causa dello spettro continuo del decadimento beta, ho pensato a un possibile disperato rimedio per salvare le statistiche e il principio di conservazione dell'energia. Si tratta della possibilità che esista nel nucleo una particella elettricamente neutra, che chiamerò neutrone (...) ma che sia diversa dai fotoni, in quanto non viaggia alla velocità della luce. La massa del neutrone dovrebbe essere simile a quella dell'elettrone e comunque non maggiore dell' 1% della massa del protone. [...] Concordo sul fatto che tale rimedio possa sembrare incredibile poiché avremmo già dovuto osservare tali neutroni. Ma solo chi osa può vincere e la situazione difficile in cui ci troviamo è ben illustrata da una frase che il mio illustre predecessore, il Sig. Debye, mi disse recentemente a Bruxelles:..., è meglio non pensarci per nulla...proprio come per nuove tasse... 26

27 Postulare una nuova particella Lettera di Pauli del 4 Dicembre 1930, indirizzata ai partecipanti ad un congresso di Fisica a Tubinga Cari Signore e Signori Radioattivi, a causa dello spettro continuo del decadimento beta, ho pensato a un possibile disperato rimedio per salvare le statistiche e il principio di conservazione dell'energia. Si tratta della possibilità che esista nel nucleo una particella elettricamente neutra, che chiamerò neutrone (...) ma che sia diversa dai fotoni, in quanto non viaggia alla velocità della luce. La massa del neutrone dovrebbe essere simile a quella dell'elettrone e comunque non maggiore dell' 1% della massa del protone. [...] Concordo sul fatto che tale rimedio possa sembrare incredibile poiché avremmo già dovuto osservare tali neutroni. Ma solo chi osa può vincere e la situazione difficile in cui ci troviamo è ben illustrata da una frase che il mio illustre predecessore, il Sig. Debye, mi disse recentemente a Bruxelles:..., è meglio non pensarci per nulla...proprio come per nuove tasse... 27

28 Postulare una nuova particella cosa sappiamo ora: + perche' prodotti in connessione con l'elettrone νe Cosa ci serve ancora? Una teoria che ci spieghi il dato sperimentale sugli elettroni Un esperimento che confermi l'esistenza dello strano neutrino 28

29 La teoria del decadimento β di E. Fermi Cosa prevedeva la teoria? p n e ν nuovo tipo di interazione: ogni transizione neutrone-protone deve essere accompagnata dalla creazione di un elettrone e un neutrino interazione debole 29

30 La teoria del decadimento β di E. Fermi Il processo viene tradotto in formule dalle quali e' possibile ottenere il numero di elettroni emessi in funzione della loro energia p n eventi e ν 30

31 La teoria del decadimento β di E. Fermi Come vediamo la questione oggi p il neutrone emette un protone ed una particella pesante W n n il W successivamente decade in elettrone e neutrino W (n,p) (ν,e) e ν l'interazione e' comunicata attraverso lo scambio di una palla W 31

32 La teoria del decadimento β di E. Fermi Caratteristiche della palla : W: particella carica 100 volte piu' pesante del protone difficile scambiarsi una palla pesante, quindi l'interazione avviene raramente ed e' chiamata debole siccome e' pesante (e carico), il W raramente viaggia a lungo l'interazione e' di corta distanza 32

33 La teoria del decadimento β di E. Fermi Caratteristiche della palla : W: particella carica 100 volte piu' pesante del protone difficile scambiarsi una palla pesante, quindi l'interazione avviene raramente ed e' chiamata debole siccome e' pesante (e carico), il W raramente viaggia a lungo l'interazione e' di corta distanza Tipo di forza Intensita' relativa Raggio d'azione forte 1 Nucleo atomico elettromagnetica 0.01 infinito debole < nucleo atomico gravitazionale infinito 33

34 La scoperta sperimentale del Neutrino Frederick Reines Clyde Lorrain Cowan Principio di rivelazione Reattore nucleare: 100 miliardi di ν per secondo per cm2 Esperimento Poltergeist (1957) rivelatore Acqua ν p n e reazione inversa a quella del decadimento del neutrone 34

35 La scoperta sperimentale del Neutrino Esperimento Poltergeist (1957) Rivelatore di fotoni il Cadmio cattura il neutrone ed emette fotoni Fotone visto al tempo t1 Acqua + Cadmio n 35

36 La scoperta sperimentale del Neutrino Esperimento Poltergeist (1957) Rivelatore di fotoni il Cadmio cattura il neutrone ed emette fotoni Fotone visto al tempo t1 Acqua + Cadmio n e l'elettrone interagisce nel detector ed emette fotoni Fotone visto al tempo t2 36

37 La scoperta sperimentale del Neutrino Esperimento Poltergeist (1957) Rivelatore di fotoni il Cadmio cattura il neutrone ed emette fotoni Fotone visto al tempo t1 Acqua + Cadmio n e l'elettrone interagisce nel detector ed emette fotoni Fotone visto al tempo t2 t2-t1 e' un tempo caratteristico della reazione in esame: se ho due segnali di fotoni separati da t2-t1 3 neutrini per ora allora posso affermare di aver visto un neutrino 37

38 Carta di identita' del Neutrino elettronico neutrino intorno anni 30 interazione: debole coniugato carica elettrica: massa: 0? A volte non e' in se... esploriamo meglio questa affermazione 38

39 Il problema dei neutrini solari Il modello solare predice un certo flusso di neutrini in viaggio verso la Terra νe grosse vasche d'acqua Homestake (miniera in USA-1970) Sage (URSS-1990) Gallex (Gran Sasso-1991) Kamiokande (Giappone-1995) numero di ν rivelati / numero di ν dal Sole ~ mancano neutrini all'appello! 39

40 Il problema dei neutrini solari Il modello solare predice un certo flusso di neutrini in viaggio verso la Terra νe grosse vasche d'acqua Homestake (miniera in USA-1970) Sage (URSS-1990) Gallex (Gran Sasso-1991) Kamiokande (Giappone-1995) numero di ν rivelati / numero di ν dal Sole ~ modello solare sbagliato possibili soluzioni: 40

41 Il problema dei neutrini solari Il modello solare predice un certo flusso di neutrini in viaggio verso la Terra νe grosse vasche d'acqua Homestake (miniera in USA-1970) Sage (URSS-1990) Gallex (Gran Sasso-1991) Kamiokande (Giappone-1995) numero di ν rivelati / numero di ν dal Sole ~ modello solare sbagliato possibili soluzioni: -un problema di fisica delle particelle 41

42 Una possibile spiegazione finora abbiamo considerato: νe e sin dal dopoguerra era nota l'esistenza di una copia pesante dell'elettrone: il muone (µ) stessa carica, soggetta ad identiche interazioni ma 200 volte piu' pesante 42

43 Una possibile spiegazione finora abbiamo considerato: νe e sin dal dopoguerra era nota l'esistenza di una copia pesante dell'elettrone: il muone (µ) stessa carica, soggetta ad identiche interazioni ma 200 volte piu' pesante associamo ad esso un nuovo neutrino: il neutrino muonico νµ µ 43

44 Una possibile spiegazione νe e νµ µ Bruno Pontecorvo (1957 and 1968) Proviamo a giocare con questi due neutrini Although what is written above is at best extremely rough and at worst entirely wrong... 44

45 Una possibile spiegazione voglio parafrasare Pontecorvo in modo irriverente Il neutrino elettronico e' un aggregato di meloni maturi, sapore decisamente dolce νe 45

46 Una possibile spiegazione voglio parafrasare Pontecorvo in modo irriverente Il neutrino elettronico e' un aggregato di meloni Mentre si propaga nello maturi, sapore decisamente spazio, il melone puo' essere dolce contaminato da limoni: il sapore non e' ben definito νe 46

47 Una possibile spiegazione voglio parafrasare Pontecorvo in modo irriverente Il neutrino elettronico e' un aggregato di meloni Mentre si propaga nello maturi, sapore decisamente spazio, il melone puo' essere dolce contaminato da limoni: il sapore non e' ben definito Il piatto puo' contenere solo limoni: sapore decisamente aspro. Ho un neutrino muonico νµ νe 47

48 Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino νµ νe La differenza tra la particella iniziale e quella finale e' il sapore Gergo tecnico: transizioni di sapore o oscillazioni 48

49 Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino νµ νe La differenza tra la particella iniziale e quella finale e' il sapore Gergo tecnico: transizioni di sapore o oscillazioni Spiegazione del problema dei neutrini solari: plot by L. Ludovici νe νµ νe νµ a Terra si contano meno neutrini elettronici perche' alcuni di essi hanno subito una oscillazione traiettoria del neutrino 49

50 Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino νe νµ νµ νe traiettoria del neutrino masse dei neutrini (m12-m22) Il processo in questione e' di tipo probabilistico, dipendente da: energia dei neutrini (E) distanza percorsa dai neutrini 50

51 Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino masse dei neutrini (m12-m22) energia dei neutrini (E) La trasmutazione avviene con una certa Probabilita' che dipende da: distanza percorsa dai neutrini [ 2 2 ( m m 2 1 2) L P (ν e ν μ )= A sin 4E ] frequenza di oscillazione: ci dice con che velocita' i neutrini cambiano sapore Ampiezza: valore massimo della probabilita' 51

52 Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino [ 2 2 ( m1 m 2) L P ( ν e ν μ )=A sin 4E 2 A = 0.3 m12 m22 = ev2 ] numero compreso tra 1 e 0 E = 106 ev A νe νe νe νe νe νe νe νe νe νµ νe νe νµ νe νe νe νe νµ νe νe νe νe νe νe νe νe νe νe νe νe 52

53 Completiamo il quadro... Problema dei neutrini atmosferici i neutrini entrano in grosse vasche d'acqua e producono luce tonnellate d acqua neutrino muonico neutrino elettronico Esperimento SuperKamiokande (1998, Giappone) 53

54 Completiamo il quadro... Si contano i neutrini muonici e, di nuovo, molti ne mancano all'appello eventi attesi grosso deficit dati sperimentali 54

55 Completiamo il quadro... Si contano i neutrini muonici e, di nuovo, molti ne mancano all'appello eventi attesi grosso deficit dati sperimentali Provo a spiegare con gli stessi valori usati per i neutrini solari: - masse dei neutrini (m12-m22) ~ 10-4 ev2 -A ~ 0.3 Va male: va escogitato altro 55

56 Completiamo il quadro: non due ma TRE neutrini! Si contano i neutrini muonici e, di nuovo, molti ne mancano all'appello finora abbiamo considerato: Dagli anni 70 era nota l'esistenza di una copia pesante dell'elettrone e del muone: il tau (τ) associamo ad esso un nuovo neutrino: il neutrino tau νe e νµ µ ντ τ stessa carica, soggetta ad identiche interazioni ma 20 volte piu' pesante del muone 56

57 Completiamo il quadro: non due ma TRE neutrini! Interpretazione: la sparizione di neutrini muonici e' attribuita prevalentemente ad oscillazioni a neutrini tau Dobbiamo introdurre una nuova massa m3 - masse dei neutrini (m32-m12) ~ 10-3 ev2 circa 30 volte piu' grande Dobbiamo introdurre una nuova ampiezza -A~1 predizione oscillazione 57

58 Completiamo il quadro: non due ma TRE neutrini! il quadro delineatosi ad inizio anni 2000 prevedeva la presenza di oscillazioni tra tutti e tre i sapori 58

59 Completiamo il quadro: non due ma TRE neutrini! il quadro delineatosi ad inizio anni 2000 prevedeva la presenza di oscillazioni tra tutti e tre i sapori A1 ~ due differenze di massa: (m32-m12) e (m22-m12) A2 ~ servono ben tre ampiezze A3 ~ 1 59

60 Andiamo a caccia di Neutrini (stagione venatoria sempre aperta) Fenomeno delle oscillazioni confermato da innumerevoli esperimenti Un esempio per tutti: gli esperimenti CERN Gran Sasso (GS) neutrini muonici prodotti al CERN verso l'italia 60

61 Andiamo a caccia di Neutrini Fenomeno delle oscillazioni confermato da innumerevoli esperimenti Un esempio per tutti: gli esperimenti CERN Gran Sasso (GS) neutrini muonici prodotti al CERN verso l'italia 61

62 Andiamo a caccia di Neutrini Fenomeno delle oscillazioni confermato da innumerevoli esperimenti Un esempio per tutti: gli esperimenti CERN Gran Sasso (GS) neutrini muonici prodotti al CERN verso l'italia circa tre miliardesimi di secondo 62

63 Andiamo a caccia di Neutrini Fenomeno delle oscillazioni confermato da innumerevoli esperimenti Un esempio per tutti: gli esperimenti CERN Gran Sasso (GS) Esperimento OPERA: ricerca diretta di oscillazione νµ ->ντ 63

64 Andiamo a caccia di Neutrini νµ ντ un neutrino tau entra nel detector ed ogni tanto interagisce producendo una particella tau E' vero? 64

65 Andiamo a caccia di Neutrini νµ ντ un neutrino tau entra nel detector ed ogni tanto interagisce producendo una particella tau E' vero? mattoncini di emulsione (pellicola per fotografia) un robot estrae il mattoncino e lo esamina 65

66 Andiamo a caccia di Neutrini νµ ντ un neutrino tau entra nel detector ed ogni tanto interagisce producendo una particella tau E' vero? mattoncini di emulsione (pellicola per fotografia) un robot estrae il mattoncino e lo esamina risultato: 4 neutrini tau 66

67 Piu veloci della luce? Misurare velocita' significa misurare distanze ed intervalli temporali velocita' = distanza / tempo = L/ t bisogna misurare la distanza tra il punto di produzione e quello di rivelazione dei neutrini bisogna misurare il tempo che intercorre dal momento in cui il neutrino e' prodotto e quello in cui viene rivelato 67

68 Piu veloci della luce? Misurare velocita' significa misurare distanze ed intervalli temporali velocita' = distanza / tempo = L/ t bisogna misurare la distanza tra il punto di produzione e quello di rivelazione dei neutrini distanze Cern usa GPS per la localizzazione del punto di accuratezza di 20 cm su 730 Km! produzione dei neutrini Anche OPERA usa GPS per la localizzazione del punto di rivelazione dei neutrini 68

69 Piu veloci della luce? tempi orologio comune: invia segnali temporali ricevitore GPS in superficie designati per applicazioni time-transfer ricevitore GPS in superficie CERN GS 69

70 Piu veloci della luce? tempi orologio comune ricevitore GPS in superficie designati per applicazioni time-transfer le informazioni sul tempo sono trasmesse dai GPS all'esperimento CERN ricevitore GPS in superficie ν GS una etichetta t0 e' attaccata al neutrino prodotto 70

71 Piu veloci della luce? tempi orologio comune ricevitore GPS in superficie designati per applicazioni time-transfer le informazioni sul tempo sono trasmesse dai GPS all'esperimento CERN una etichetta t0 e' attaccata al neutrino prodotto ricevitore GPS in superficie ν GS t = t1 - t0 una etichetta t1 e' attaccata al neutrino rivelato 71

72 Piu veloci della luce? NO Risultato: i neutrini viaggiano a v= Km/s, da confrontarsi con la velocita' della luce, c= Km/s (oppure: i neutrini arrivano ~60 miliardesimi di secondo PRIMA di un fascio di luce inviato dal CERN) Problema: il risultato contraddice il principio della velocita' limite c 1. mantenere l'assunto che le leggi della fisica siano le stesse per ogni osservatore: 2. ipotizzare deviazioni dall'assunto in 1. si violerebbe la causalita' (neutrini rivelati al Gran Sasso prima di partire dal CERN) le oscillazioni avverrebbero con modalita' diverse da quanto osservato 72

73 Dove e' il problema? GS Difetto nei cavi che connettono l'orologio all'esperimento: i rintocchi dell'orologio arrivano con piu' lentezza di quanto siano trasmessi Esempio: se l'orologio scandisce 3 rintocchi ma, a causa di un ritardo di trasferimento dell'infomazione temporale al GS solo il secondo e' attaccato all'evento, allora si misura un t = 2 rintocchi invece di t = 3 rintocchi e quindi attribuiamo velocita' maggiore del dovuto 73

74 Implicazioni del fenomeno delle oscillazioni enormi implicazioni teoriche dei risultati di oscillazione di cui si capisce ben poco! perche': A1 ~0.3, A2 ~0.02, A3 ~1 i ineutrini neutrinihanno hannomassa: massa: ma maquanto quantovale? vale? 74

75 Il problema delle ampiezze perche': A1 ~ 0.3, A2 ~ 0.02, A3 ~ 1 c'e' bisogno di ispirazione divina (non ancora pervenuta pero') mondo intrinsecamente piu' ordinato tutto frutto del caos 75

76 Il problema della massa dei neutrini tau elettrone neutrino (???) muon masse: oggetti studiati finora m m23 m ev ovvero piu' leggero dell'elettrone enormemente piu' bassa delle altre particelle 76

77 Il problema della massa dei neutrini Ma perche'? Ma soprattutto: perche? in fondo i neutrini sono imparentati con elettroni, risentono (quasi) delle stesse interazioni MA non hanno carica elettrica Esempio: massa potrebbero essere particelle speciali! N ~ copia molto pesante dei neutrini che abbiamo visto finora ν 77

78 ν N peso crescente peso crescente Il problema della massa dei neutrini essendo comunque neutrini essi interagiscono mutuamente 78

79 Il problema della massa dei neutrini peso crescente peso crescente ν N Se ora N diventa piu' pesante, l'interazione rende ν piu' leggero! Esiste inversa proporzionalita' tra le due masse 79

80 Meccanismo see-saw Si e' trovato un (possibile) meccanismo che assicura una massa piccola per i neutrini a patto di introdurre altri neutrini molto pesanti N Non e' il meccanismo bilancia, si chiama meccanismo altalena ν 80

81 Meccanismo see-saw Si e' trovato un (possibile) meccanismo che assicura una massa piccola per i neutrini a patto di introdurre altri neutrini molto pesanti N Non e' il meccanismo bilancia, si chiama meccanismo altalena ν Quanto pesanti? se voglio ottenere mν ~10-1 ev, serve mn ~1023 ev! (mν ~1 /mn ) la fisica del neutrino permette di sondare indirettamente le altissime energie (per confronto: LHC ~ ev) 81

82 Conclusioni questi tre signori ci stanno dando dei gran grattacapi! restano da svelare alcune proprieta' dei neutrini: manca un riferimento teorico nel quale inquadrare: - il valore della massa stessa - se sono solamente tre... - il meccanismo che genera la massa - i valori delle ampiezze... 82

83 Conclusioni questi tre signori ci stanno dando dei gran grattacapi! restano da svelare alcune proprieta' dei neutrini: manca un riferimento teorico nel quale inquadrare: - il valore della massa stessa - se sono solamente tre... - il meccanismo che genera la massa - i valori delle ampiezze... «quell'incongruo miscuglio che non m'era mai riuscito di riformare» Grazie! 83

84 Stato attuale sulle masse dei neutrini manca misura sperimentale diretta della massa Dalla cosmologia strutture come le galassie si originano da collasso gravitazionale neutrini massivi portano via energia e rallentano la velocita' con cui si formano le strutture Thomas, Abdalla, and Lahav, Phys. Rev. Lett.105, (2010) mν 0 la materia e' distribuita su un piu' ampio numero di strutture e si osserva un minor contrasto di densita' m1 + m 2 +m3 1 ev mν = 0 84

85 Stato attuale sulle masse dei neutrini Da esperimenti di laboratorio Trizio Troitsk experiment Phys.Rev. D84 (2011) m ν < 2.2 ev 85

86 Un riassunto... Angoli di mescolamento Differenze di massa m3 θ13 o θ23 m23 m21 o (45 ) (9 ) θ12 o (33 ) m2 m21 m22 m1 86

87 La teoria del decadimento β di E. Fermi Caratteristiche della palla debole: particelle con carica debole Caratteristiche della palla elettromagnetica: W particelle cariche W: particella carica 100 volte piu' pesante del protone l'interazione e' debole fotone fotone: particella senza massa l'interazione e' piu' intensa siccome e' pesante, il W raramente siccome e' privo di massa, viaggia a lungo l'interazione e' di corta distanza il fotone viaggia per lunghe distanze l'interazione e' di lunga distanza le particelle hanno carica debole, anche il W le particelle hanno carica elettrica, il fotone NO D.Meloni 87

88 Quali particelle compongono la materia ordinaria Un viaggio lungo 2500 anni Democrito ( circa a. C.) Opinione il dolce, opinione l'amaro, opinione il caldo, opinione il freddo, opinione il colore: in realtà soltanto gli atomi e il vuoto GRECI ROMANI MEDIOEVO RINASCIMENTO EPOCA-MODERNA Epicuro ( a. C.) [ ] gli atomi hanno la stessa velocita' quando si muovono nel vuoto senza incontrare alcuna resistenza D.Meloni 88

89 Quali particelle compongono la materia ordinaria Un viaggio lungo 2500 anni Lucrezio (98-55 circa a. C.) Nel De Rerum Natura: riprende Epicuro ed afferma un ateismo radicale GRECI ROMANI MEDIOEVO RINASCIMENTO EPOCA-MODERNA D.Meloni 89

90 Quali particelle compongono la materia ordinaria Un viaggio lungo 2500 anni quasi completo abbandono delle teorie atomistiche, considerate forme intollerabili e demoniache di materialismo e di ateismo GRECI ROMANI MEDIOEVO RINASCIMENTO EPOCA-MODERNA D.Meloni 90

91 Quali particelle compongono la materia ordinaria Un viaggio lungo 2500 anni Recupero epicureismo (adattazione al cristianesimo): Erasmo da Rotterdam Pierre Gassendi Denis Diderot GRECI ROMANI MEDIOEVO RINASCIMENTO EPOCA-MODERNA D.Meloni 91

92 Quali particelle compongono la materia ordinaria Un viaggio lungo 2500 anni Teoria atomistica a livello scientifico: John Dalton (tavola pesi atomici) William Prout (misura proprieta' atomo) Dmitrij Ivanovič Mendeleev GRECI ROMANI MEDIOEVO RINASCIMENTO EPOCA-MODERNA D.Meloni 92

93 Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino Il neutrino elettronico e' un mixing di due oggetti di massa diversa: tanto ν1 e poco ν2 νe ν1, m1 ν2, m2 massa del νe non ben definita! D.Meloni 93

94 Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino Il neutrino elettronico e' un mixing di due oggetti di massa diversa: tanto ν1 e poco ν2 νe ν1, m1 Le due componenti evolvono differentemente al passare del tempo (distanza): cambia la composizione del neutrino ν2, m2 massa del νe non ben definita! D.Meloni 94

95 Una possibile spiegazione: oscillazione del neutrino Il neutrino elettronico e' un mixing di due oggetti di massa diversa: tanto ν1 e poco ν2 νe ν1, m1 Ogni tanto ottengo poco ν1 e tanto ν2, situazione Le due componenti evolvono differentemente al passare del tempo (distanza): cambia la composizione del neutrino che definisce il neutrino muonico νµ ν2, m2 massa del νµ non ben definita! massa del νe non ben definita! D.Meloni 95