Ultimo scattering dei fotoni: parte seconda, i neutrini primordiali

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I neutrini sono particelle piccolissime con carica nulla. Una trottola fatta di niente! Ma molto comune nel nostro Universo!
Sono considerate particelle elementari. Le particelle elementari sono i più semplici componenti della materia, però non fanno parte degli atomi che compongono la materia.
Per farmi capire meglio, gli atomi del nostro corpo non sono fatti di neutrini.

Era il 1957 quando il fisico italiano Bruno Pontecorvo elaborò una teoria secondo la quale queste particelle neutre, piccolissime, dette neutrini ed esistenti in natura in tre diversi ‘‘sapori” (elettronico, muonico e tauonico) potevano trasformarsi una nell’altra durante la loro propagazione. È questa trasformazione a essere chiamata “oscillazione

Tutte le osservazioni astrofisiche concordano sul fatto che i neutrini sono stati prodotti fin dalle prime fasi di evoluzione dell’universo, così come i fotoni della radiazione cosmica di fondo (Cmb).
Lo deduciamo dalla formazione dei nuclei leggeri e dalle proprietà misurate del Cmb. Tuttavia, abbiamo già osservato che queste informazioni ci danno un’evidenza solo indiretta della loro presenza. Altra cosa sarebbe poter fare un esperimento di laboratorio qui sulla Terra che li misurasse direttamente. Per i fisici questa rappresenta, in un certo qual modo, la via maestra per poter pervenire a una scoperta.

Quale che sia la posizione, per così dire, filosofica su cosa debba intendersi per scoperta, di una cosa siamo ragionevolmente certi: se i neutrini sono stati fra gli attori nelle fasi antiche del Big Bang, allora oggi siamo circondati da un gran numero di queste particelle, chiamate “neutrini primordiali” o “cosmologici” (per distinguerli da altri neutrini di diversa origine).

I neutrini primordiali costituiscono un “fondo” analogo ai fotoni della radiazione cosmica di fondo: il Cosmic Neutrino Background (Cnb). Perché dunque non pensare di catturarli con un qualche telescopio a neutrini? L’idea non è stravagante e vi è un precedente rilevante, la misura del Cmb fatta in maniera inaspettata da Penzias e Wilson nel 1964, i quali, lavorando con un nuovo tipo di antenna per microonde, rivelarono un debole rumore di fondo non attribuibile ad alcuna sorgente astrofisica o a sorgenti terrestri note.

Se ciò fosse possibile anche per il caso del Cnb, potremmo verificare alcune delle proprietà che, predette teoricamente o misurate indirettamente, riteniamo di conoscere.
Si dovrebbero, per esempio, contare all’incirca 340 neutrini e antineutrini del fondo per centimetro cubo (un numero enorme rispetto, ad esempio, ai neutrini che provengono dal Sole!), distribuiti in maniera “democratica” nelle tre specie note, e di velocità molto minore della velocità della luce, per almeno due delle tre specie.
Il problema di una misura diretta del Cnb sta nel fatto che a differenza dei fotoni, che interagiscono con la materia (di cui sono fatti gli strumenti di misura) attraverso le interazioni elettromagnetiche, i neutrini interagiscono esclusivamente attraverso le ben più flebili interazioni deboli, il che rende la loro rivelazione estremamente difficile.

Da decenni, si propongono metodi e si avanzano idee su come costruire un telescopio per il Cnb. Quasi tutte, purtroppo, sembrano di difficile, se non impossibile, realizzazione in un futuro prossimo, con forse un’unica eccezione: un telescopio a trizio.

trizioSulla base di una vecchia idea di Steven Weinberg, che scrivendo nei primi anni ’60 pensava però che l’effetto fosse misurabile per una proprietà dei neutrini legata al celeberrimo principio di esclusione di Pauli e non alla loro massa.
L’esperimento Ptolemy al Plasma Physics Laboratory di Princeton si propone di rivelare i neutrini (e gli antineutrini) primordiali osservando la traccia che lasciano quando interagiscono con nuclei di trizio.
L’idea di base dei “telescopi” a trizio è di rivelare indirettamente i neutrini del fondo cosmico facendoli interagire con nuclei di trizio (un isotopo dell’idrogeno).
Catturando un neutrino, un nucleo di trizio emette un elettrone di energia cinetica superiore a quella massima degli elettroni prodotti nel normale decadimento beta del trizio. Si stima che un bersaglio di 100 grammi di trizio possa produrre circa 10 eventi all’anno di cattura di neutrini primordiali.

La sfida sperimentale è notevole, perché si tratta di costruire un rivelatore con una risoluzione in energia inferiore all’eV, ma un prototipo in scala è già in funzione e capiremo presto se siamo sulla buona strada per osservare i più antichi messaggeri dell’universo.

(fonte “Simmetrie” n.21)

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5 risposte a Ultimo scattering dei fotoni: parte seconda, i neutrini primordiali

  1. maria cavallaro ha detto:

    Le vie della conoscenza sono infinite e vale la pena insistere su argomenti dai quali possono anche scaturire occasionali scoperte utili all’umanità. Ciao!

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  2. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce. “A volte ritornano”, come si dice. Invece, spesso guardavo a se “ci fosse qualcosa di nuovo”. Ieri l’ho beccata.

    Ho letto ieri prima questa seconda parte, fra poco leggo la prima.
    E’ forte come l’infinitamente piccolo ci fa capire in definitiva il cosmologico, l’immenso (come si e’ svolto il Big Bang, come si sono formate le strutture macroscopiche, il destino finale e cosi’ via).
    Certo e’ che catturare se possibile i neutrini, questi avrebbero molto da raccontarci, cosi’ come le onde gravitazionali, altra cosa sfuggente.

    E’ vero Bruce, gli strumenti di misura sono fatti di materia, e se una irradiazione- elettromagnetica o corpuscolare (come quella neutrinica)- non “disturba” gli atomi dello stromento c’e poco da fare. E’ come se la luce non interagisse sugli elettroni degli atomi della retina, saremmo ciechi. Come una osservazione che lessi- la pensai gia’ prima io…- sull'”uomo invisibile”. sarebbe anche cieco,perche’..ecceetra.

    E cosi’, una vista al neutrino ci farebbe comodo. Ma come? bella l’idea di far colpire il trizio con i neutrini da trasformalo cosi’ in elio (elio 3, per la precisione), e si capirebbe che dei neutrini ci hanno appunto cozzando contro provocando in un neutrone un decadimento beta, con un elettrone che scappa via e che senza diventa protone: due protoni e un solo neutrone come prodotto finale, mi pare di capire.
    Pero’ mi sfugge una cosa, come capire se a cose avvenute il netrone catturato e’ “primordiale” o formatosi recentemente? Forse che in quelli prodotti dal Sole il numero “in proporzione” dei tre tipi (sapori) di neutrini e’ diverso da come saimo messi con quelli “primordiali” i cui “sapori” sarebbero presenti in modo piu’ “democratico”, o comunque diverso? Non comprendo.. La cosa e’ interessantissima… Ciao.

    Marghian

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  3. bruce ha detto:

    Da quello che ho capito i neutrini primordiali a differenza dei neutrini prodotti dal sole, dai decadimenti e dalle supernove hanno una energia estremamente bassa. Altra differenza sta nel fatto che i neutrini primordiali permeano tutto lo spazio come la radiazione cosmica di fondo, quindi la loro presenza è praticamente costante e misurata all’incirca in 340 neutrini e antineutrini per centimetro cubo.
    Ciao

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    • MARGHIAN ha detto:

      Ciao. Ah, si’, lo hai anche scritto infatti, velocita’ molto inferiore a quella della luce, mentre i neutrino “ordinari”, piu’ energetici, ci si avvicinano- senza superarla..come si e’ creduto…-
      “i neutrini primordiali permeano tutto lo spazio come la radiazione cosmica di fondo, quindi la loro presenza è praticamente costante e misurata all’incirca in 340 neutrini e antineutrini per centimetro cubo–“. Molto verosimile anche questo, in analogia con la radiazione cosmica di fondo, fatte le dovute differenze. Ciao.

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