neutrini superluminali

Neutrini superluminali: Neutrini superluminali: terremoto scientifico o terremoto scientifico o

miraggio?miraggio?

Vera MontalbanoDipartimento di fisica, Università di Siena

Liceo Classico Petrarca - Arezzo24 febbraio 2012

IntroduzioneIntroduzione

NEUTRINI protagonisti particelle molto particolari

SUPERLUMINALI: più veloci della luce

TERREMOTO SCIENTIFICO se confermato crisi profonda con esperimenti contraddittori

o

MIRAGGIO? Illusione? No

Artefatto? No

Miraggio: fenomeno fisico reale che, se non riconosciuto, porta a conclusioni

errate

IntroduzioneIntroduzione• Neutrini: cosa sono, che caratteristiche hanno, ecc.

(radioattività, decadimenti beta, teoria di Fermi, necessità

sperimentale del neutrino, caratteristiche note, particella elementare,

neutrino particella con aspetti unici, quanti tipi ne esistono, ...)

• Perchè una velocità maggiore di quella della luce è così imprevista nella fisica contemporanea

(brevissima introduzione alla relatività ristretta e alle sue, per ora, solidissime basi sperimentali, digressione sulle teorie fisiche che descrivono la natura e sulla loro longevità)

• Le misure di OPERA (complessità dell’esperimento, perchè è così

complicato capire se il risultato è corretto e accettabile,

perplessità e possibili soluzioni, work in progresswork in progress

aspettando nuove misure)

• Conclusioni

La scoperta della La scoperta della radioattività naturaleradioattività naturale

Il neutrino viene introdotto per spiegare una classe di fenomeni

rilevanti nella radioattività.

Il fisico francese Becquerel (1852-1908) osservò che un minerale contenente uraniouranio, messo al di sopra di una lastra fotografica avvolta in carta nera, emetteva una radiazione spontanea capace di penetrare attraverso la carta e di impressionare la lastra fotografica che risultava annerita.

Un po’ di storia …Un po’ di storia …1896 Il fisico francese Henri Becquerel scopre

il fenomeno della radioattività da sali di uranio (scoperta casuale).

1897 Il fisico britannico J. J. Thomson scopre l'elettrone e ne misura la carica e la massa. La presenza nella materia di una carica negativa fa supporre l'esistenza in essa di una carica positiva che però sfugge alla rivelazione.

1898 I coniugi Pierre e Maria Curie (francese il primo e polacca la seconda) scoprono altri elementi radioattivi: torio, polonio, radio (da quest'ultimo, che fornisce la maggiore attività, prenderà il nome fenomeno).

1899 Il fisico britannico Ernst Rutherford scopre delle radiazioni, che chiama alfa e beta , emesse da materiali radioattivi.

1900 Il fisico francese Paul Villard scopre altri raggi, provenienti da materiali radioattivi, che chiama gamma .

• 1906/1909 - Ernst Rutherford prova che i raggi sono particelle

cariche positivamente.

• 1909 Ernst Rutherford ed i suoi collaboratori Geiger e Mardsen

scoprono il nucleo dell'atomo e quindi il protone, la particella positiva

che (fino al 1932) si ritiene essere il costituente principale del nucleo.

• 1910/1913 J. J. Thomson e F. W. Aston scoprono l'isotopia, cioè quelle

sostanze che hanno stesse proprietà chimiche pur presentando nuclei

atomici diversi.

• 1911 Rutherford elabora il suo modello atomico.

• 1913 Il fisico danese Niels Bohr elabora il suo modello atomico che

soppianta quello di Rutherford .

• 1932 Il fisico britannico James Chadwick scopre l'esistenza del

neutroneneutrone, una particella neutra che è costituente del nucleo. Diventa così

chiaro il fenomeno dell'isotopia: è il numero dei protoni che qualifica

chimicamente una sostanza; un elemento resta chimicamente lo stesso

anche se varia il numero dei neutroni che

costituiscono il suo nucleo.

Un po’ di storia Un po’ di storia ……

Qualche numeroQualche numero

In quegli anni si comprende che

• la materia è ben diversa da quello che ci appare:

• la quantità di spazio vuotovuoto supera di gran lunga il pienopieno.

DIMENSIONI MOLECOLA 10-9 m

DIMENSIONI ATOMO 10-10 m

DIMENSIONI NUCLEO 10-15 m

massa dell'elettrone me = 0,9 . 10-31 Kg

massa del protone mp ≈ 1 836 me

massa del neutrone mn ≈ 1 838 me

RadioattivitàRadioattività

• Alcuni elementi pesanti [tra cui uranio (U), radio (Ra), torio (Th), attinio (Ac), polonio (Po)] emettono spontaneamente radiazioniradiazioni, che non vengono percepite direttamente dai nostri sensi; la loro esistenza viene rivelata da vari effetti che esse producono.

• Azione fotografica• Per es., un tubetto di vetro, contenente sali di uranio in quantità

sufficiente, posto accanto a una lastra fotografica per qualche ora, la impressiona. L'effetto si osserva anche se tra tubetto e lastra sono interposte sottili lamine metalliche.

• Si deduce che la radiazione emessa dai sali di uranio, o almeno alcune componenti di essa, hanno un potere penetrante che ricorda quello dei raggi X.

• Azione ionizzante• Prendiamo due lastrine metalliche affacciate a una distanza di qualche

centimetro una dall'altra e portate a diverso potenziale. Da una lastrina all'altra non passa, quasi, corrente; l'aria interposta è un buon isolante. Se ora si accosta un preparato radioattivo, si constata che l'aria diventa conduttrice; ciò è dovuto alla formazione di ioni (ionizzazione). Le radiazioni emesse dai corpi radioattivi ionizzano fortemente l'aria.

Radiazione ionizzanteRadiazione ionizzanteraggi raggi

alfaalfa• Sono costituite da nuclei di elio 2He4, con carica +2, massa pari a 4,04 uma.

• Sono emesse con grande velocità (sempre la stessa per uno stesso elemento) dai nuclei (circa 20 000 Km/s), ma, a causa degli urti con le molecole d'aria, le ionizzano, perdendo gran parte

della loro energia cinetica in tragitti che, in aria, vanno dai due agli otto centimetri.

• Nel caso poi queste particelle debbano attraversare materia solida, la loro perdita di energia avviene molto prima (sono bloccate da sottili foglie di carta o di alluminio, dai vestiti, dagli strati

superiori della pelle). • POCO PENETRANTE


betabetaCostituita da fasci di elettroni di carica negativa o di elettroni di carica positiva (positroni, particelle che hanno stessa massa e stessa carica, cambiata di segno, dell'elettrone e che si indicano con e+) espulsi a gigantesche velocità (vicine a quelle della luce) dai nuclei atomici.

Le particelle non hanno tutte la stessa energia come le particelle .

Essa può variare in un'ampia fascia di valori (da alcune centinaia di KeV ad alcuni MeV).

Anche le particelle ionizzano l'aria che attraversano ma in misura molto minore di quanto fanno le particelle .

PENETRANTI


gammagammaLa radiazione gamma è, contrariamente alle altre due, è costituita da fotoni molto energetici (da alcuni KeV a 2 MeV).

Le radiazioni gamma sono fisicamente identiche ai raggi X di alta energia, l'unica differenza (oltre allo spettro di frequenza) è che i raggi gamma sono prodottidall'interno del nucleo atomico mentre i raggi X sono prodotti dagli elettroni.

Si tratta di onde elettromagnetiche della stessa natura di quella della luce, ma con lunghezze d'onda molto più piccole (da 3.10-9 cm fino a valori di gran lunga più piccoli) e quindi con frequenze molto più elevate; queste radiazioni si propagano sotto forma di pacchetti (d'onda) di sola energia (fotoni) alla velocità della luce, sono prive di carica elettrica e, rispetto alle radiazioni alfa e beta, hanno un potere ionizzante molto inferiore.

MOLTO PENETRANTE

eNiCo *6028

6027

raggi beta raggi beta teoria di Fermiteoria di FermiFermi propose una teoria che spiegava tutti i decadimenti …..

eNiCu 6428

6429

decadimenti decadimenti

decadimenti decadimenti ++

n p + e +

Teoria di FermiTeoria di Fermi

….. e ipotizzava reazioni nucleari quali la cattura elettronica.

p + e n +

Per spiegare il fatto che gli elettroni vengono emessi nei decadimenti con un ampio spettro di velocità, Fermi adottò una proposta di Pauli ed ipotizzò l’esistenza di una nuova particella, con carica elettrica nulla e massa nulla.

Questa ipotesi permise di spiegare tutti i decadimenti e le altre reazioni nucleari che ben presto furono realizzate in laboratorio, mantenendo i principi di conservazione della meccanica degli urti (energia e quantità di moto).

La nuova particella fu chiamata neutrinoneutrino.

Prima di descrivere il neutrino dobbiamoparlare di interazioni fondamentaliinterazioni fondamentali.

Interazioni Interazioni fondamentalifondamentali

Interazione elettromagneticaInterazione elettromagnetica Fem

Elettricità, magnetismo, induzione, onde elettromagnetiche, atomi, molecole, struttura della materia, reazioni chimiche, forze d’attrito, raggi gamma

Interazione forteInterazione forte Fs Fs / Fem 100nuclei, spettri di emissione ed assorbimento nucleari,

decadimenti alfa

Interazione deboleInterazione debole Fw Fw / Fem 10-2

decadimenti beta

Interazione gravitazionale Interazione gravitazionale Fg Fg/Fem 10-36

moto dei gravi, maree, moto di pianeti, stelle, galassie

l’intensità è stimata a distanze del raggio di Fermi

NeutriniNeutrini

Carica elettrica nulla perché non ha interazioni elettromagnetiche

?Massa nulla?non è così certo, per molti anni tutti gli esperimenti sono stati compatibili con massa nulla, ma c’erano alcuniproblemi in particolare quello dei neutrini solari che per molti

annihanno dato misure di circa un terzo rispetto alla produzione stimata del Sole.

Interazione debole si, con tutti i leptoni della loro famigliaInterazione forte no, non interagiscono con i quarks e con i gluoni

Se avesse massa nulla, sarebbe l’unica particella elementare con una sola

interazione possibile!

Quanti tipi se ne conoscono?Inizialmente era noto solo il neutrino dei decadimenti

beta(elettronico), ora si hanno evidenze sperimentali dell’esistenza di uno per ogni famiglia leptonica

Particelle Particelle elementarielementariLa teoria che oggi descrive meglio tutti gli esperimenti

di fisica subatomica ed in particolare gli urti che avvengono negli acceleratori di particelle come LHC al CERN di Ginevra èil Modello StandardModello Standard

Le particelle elementari non sono poche,ma permettono di descriveremilioni e milioni di urti in tutti iloro aspetti quantitativi.

Tre famiglie di quarks a cui corrispondono tre famiglie dileptoni, a cui bisogna aggiungerei bosoni che mediano le interazioni.Per ogni quark e per ogni leptoneesiste poi anche la rispettiva

antiparticella.

Oscillazione dei Oscillazione dei neutrinineutriniNegli ultimi anni ha trovato conferma sperimentale l’ipotesidell’oscillazione dei neutrini, proposta da Bruno Pontecorvo nel 1957.

Un particolare fenomeno detto mixing avviene tra i quark a causa della massa non nulla

neutrino con massa stati di massa sarebbero misture di stati deboli

Perché esiste il mixing tra quarks e non tra leptoni?

Il solo fenomeno accessibile agli esperimenti che provi il mixing è l’oscillazione dei neutrini tra una famiglia leptonica e l’altra quando i neutrini si propagano liberi nello spazio

L’oscillazione è lo spontaneo cambiamento da uno stato di massa del neutrino ad un altro

Oscillazione dei Oscillazione dei neutrinineutrini

Il 12 novembre 2001, circa 6.600 fotomoltiplicatori del Super-Kamiokande implosero, apparentemente in una reazione a catena, dovuta alle onde di pressione di ogni tubo imploso che si propagavano ai suoi vicini.

11146 fotomoltiplicatori

1000 fotomoltiplicatori

Oscillazione dei Oscillazione dei neutrinineutriniOscillazione dei neutrini

Fino all’Ottocento i sistemi in moto relativo tra loro venivanodescritti con la relatività galileiana

Nessun esperimento consente di distinguere dueriferimenti il cui moto relativo è rettilineo uniforme

Tutti i fenomeni fisici seguono le stesse leggi in dueriferimenti il cui moto relativo è rettilineo uniforme

Nel passaggio da un riferimento ad un altro che si muova di moto rettilineo uniforme rispetto al primo, tutte le leggi fisiche sono invarianti.

Prima di definire questo principio, Galileo aveva introdotto e descritto il principio di inerzia. I riferimenti di cui si parla sono riferimenti inerziali. Newton formalizzerà questi principi nella sua meccanica.

Le relazioni tra le grandezze misurate due diversi sistemi di riferimento inerziali

Relatività galileianaRelatività galileiana

Conseguenze della relatività

x’O

z

y

z’ v

O’ x

y’

In P si verifica un evento ed un osservatore S misurerà la

posizione e l’istante in cui avviene l’evento assegnando coordinate

x,y,z,t.

Un osservatore S’ in movimento con velocità V rispetto a S assegnerà

coordinate x’,y’,z’,t’.

Le equazioni che mettono in relazione le coordinate spazio-temporali di uno stesso evento

nei due sistemi di riferimento sono le

x’ = x – Vt

y = y’

z = z’

t = t’

PP Trasformazioni di Galileo:Trasformazioni di Galileo:

Relatività galileianaRelatività galileiana

Da cui discende la legge di composizione delle velocità della Meccanica

v’ = v + Vmentre le forze, le accelerazioni, le masse restano le stesse nei due sistemi di riferimento

Approccio fisico

La teoria della relatività ristretta (1905) nasce per rispondere ad una esigenza sperimentale. Era necessaria una spiegazione coerente e soddisfacente al risultato dell’esperienza di Michelson e Morley con la quale si era cercato ripetutamente di rivelare la composizione della velocità della luce con il moto di traslazione della Terra intorno al Sole

Relatività di Relatività di EinsteinEinstein

Composizione delle velocità

Secondo la cinematica "classica" le due velocità si sarebbero dovute comporre

V' = V ± v

E questo avrebbe permesso di misurare la velocità con la quale la Terra si muoveva nello spazio assoluto di Newton, e cioè rispetto all'"etere" che lo riempiva e attraverso il quale la luce viaggiava.

Ma l'esperimento aveva rivelato, con un margine di errore di misura molto accurato, come la velocità della luce nel vuoto fosse sempre identica a

indipendentemente dal moto della Terra. Per trovare una spiegazione a questo stato di cose Einstein seguì una metodologia ben precisa, secondo la quale i concetti della Meccanica newtoniana dovevano essere riveduti.

nella fisica devono entrare in gioco solo quelle grandezze che si possono definire in base al metodo con il quale possono essere osservate o misurate sperimentalmente

IL PRINCIPIO DI COSTANZA DELLA VELOCITÀ DELLA LUCE

Assumere proprio come principi, dai quali partire per l'elaborazione della teoria, quei "FATTI" che sembrano resistere ad ogni tentativo di falsificazione osservativa.

la velocità della luce nel vuoto non si compone con nessun'altra velocità

(né quella della sorgente che la emette né quella dell'osservatore che la riceve, rispetto ad un ipotetico "etere" nel quale la luce viaggerebbe)

diviene, in Relatività, uno dei due pilastri su cui si fonda la teoria intera,

RelativitàRelatività

che si aggiunge al principio di relatività formulato da Galilei

•demolizione dei concetti newtoniani di spazio e di tempo "assoluti" come contenitori autonomi rispetto ai corpi e ai campi che in essi si muovono

Conseguenze della Relatività ristretta

DAL PUNTO DI VISTA DELLA CINEMATICA

•Lo spazio e il tempo vengono misurati in maniera diversa a seconda della velocità con cui si muovono i regoli e gli orologi, subendo

contrazione delle lunghezze dilatazione dei tempi

• Le velocità non si sommano e sottraggono nel modo galileiano-newtoniano, ma in modo tale chela velocità della luce nel vuoto non possa mai essere superata (Composizione relativistica delle velocità).


Composizione delle velocità

Le velocità, si compongono in modo che non si possa mai superare la velocità della luce nel vuoto c


Ma queste sono le trasformazioni rispetto a cui sono invarianti le equazioni di Maxwell che descrivono completamente tutto

l’elettromagnetismo!

La relatività ristretta concilia la meccanica classica con l’elettromagnetismo introducendo lo spazio-tempo in cui tuttoè descritto da leggi covarianti per trasformazioni tra sistemi in moto relativo. Quando la velocità relativa è piccola rispetto aquella della luce, la relatività di ristretta diventa indistinguibile sperimentalmente da quella galileiana.

Questa descrizione ha una solida base sperimentale quindi nell’elettromagnetismo.

La meccanica quantistica inizialmente descriveva sistemi galileiani, per descriveretutte le possibili situazioni fisiche è stato necessario formularla in modo che la relatività ristretta fosse rispettata. Questa è la teoria dei campi (quantistici relativistici, non si dice quasi mai ma è sempre sottinteso) in cui è formulato anche il Modello Standard che descrive le tre interazioni fondamentali per la fisica delle particelle.

Le basi sperimentali della relatività ristretta sono solidissime, perché essa viene confermata ogni giorno in tutti gli esperimenti che sono stati fatti negli

ultimi 100 anni e che continuano ad essere descritti benissimo dallateoria dei campi.

Una conseguenza eclatante della relatività è l’equivalenza massa-energia E2 + p2 =m2

c=1


Le teorie fisiche sono accettate dalla comunità scientifica e utilizzate sistematicamente solo quando hanno una vasta e solidissima base sperimentale.

Quando nuove evidenze sperimentali rendono necessarie nuove teorie, le teorie usate fino a quel momento non vengono abbandonate ma diventano un caso particolare o al più approssimano comunque la fenomenologiache avevano descritto bene fino a quel momento.

Questo spiega perché continuiamo ad usare la meccanica galileiana anche se sappiamo che la relatività ristretta descrive meglio lo spazio-tempo. Così come si continua ad utilizzare quest’ultima nei laboratori terrestri pur sapendo che la relatività generale descrive completamente lo spazio-tempo (ma a livello atomico il suo contributo è trascurabile).

Lo sconcerto che attraversa la comunità scientifica di fronte ai neutrini superluminali è legato al fatto che non è semplice immaginare

una nuova teoria che salvi tutti i dati sperimentali in accordo con la relatività

ristretta e una particella con massa non nulla che viaggia a velocità superiori a quelle della luce (a questa velocità

finora viaggiavano solo le particelle prive di massa).

Longevità teorie Longevità teorie fisichefisiche

Se il risultato di OPERA fosse confermato entrerebbe incrisi la nostra descrizione dello spazio tempo in un modo chea prima vista sembra difficilmente superabile.

Inoltre questo risultato sarebbe difficilmente compatibile con esperimenti fatti nel recente passato (e purtroppo per ora irripetibili)

Neutrini Neutrini superluminalisuperluminali

Misure supernova SN Misure supernova SN 1987A1987A

Misure supernova SN Misure supernova SN 1987A1987A

Supernova SN1987A(e.g. Phys. Lett. B 201 (1988) 353) electron (anti) n, E ~ 10 MeV, 168.000 light years baseline. |v-c|/c ≤ 2 ·10-9

Neutrini misurati da Neutrini misurati da OPERAOPERAL’esperimento OPERA ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso è stato progettato per rivelare direttamente l’apparizione di νin un fascio quasi puro di ν prodotto al CERN.

Protoni da 400 GeV vengono estratti dal Super Proton Synchrotron (SPS) e inviatisu un bersaglio di grafite, nel quale vengono prodotti mesoni p e K. I mesoni dicarica positiva vengono focalizzati da due magneti verso un tunnel di decadimentolungo circa 1 km, nel quale i mesoni decadono producendo un muone positivoe un neutrino muonico. Gli adroni rimanenti vengono assorbiti in un blocco di ferro, mentre i muoni vengono assorbiti successivamente dalla roccia.

Neutrini misurati da Neutrini misurati da OPERAOPERALa Collaborazione OPERA comprende circa 170 scienziati di 12 nazioni ed èguidata da Antonio Ereditato, professore di Fisica delle Particelle all’Università diBerna.I neutrini attraversano la Terra come schematizzato in figura e raggiungonoi moduli di rivelazione al Gran Sasso.

La misura della velocità non è però semplice come si potrebbe ingenuamente pensare.

Misurare lo spazio percorso e il tempo impiegato a percorrerlo richiede alcune accortezze sperimentali.

z

y x

Neutrini misurati da Neutrini misurati da OPERAOPERALo spazio percorso si misura usando le geodesiche dello spazio-tempo della relatività generale.

La misura del tempo è ancora più indiretta,pur utilizzando i migliori orologi atomici disponibili ed un raffinato sistema di sincronizzazione GPS.

Infine quello che si misura è la differenza tra il tempo di volo dei neutrini eil tempo di volo della luce.

Il problema sperimentaleè che i neutrini arrivanoimpacchettati ma non si puòstabilire da quale pacchettospedito dal CERN provengano.

Neutrini misurati da Neutrini misurati da OPERAOPERALo spazio percorso si misura usando le geodesiche dello spazio-temo della relatività generale.

Il metodo è così sensibile da rilevare la deriva dei continenti e i terremoti.

Neutrini misurati da Neutrini misurati da OPERAOPERA

La sincronizzazione degli orologi atomici è realizzata utilizzando il sistema GPS che utilizza almeno 4 satelliti, inoltre si utilizza la tecnica della vista comune, cioè i satelliti scelti devono vedere contemporaneamente i due orologi in modo da avere circa lo stesso attraversamento del segnale nella ionosfera.

Con queste tecniche gli orologi del CERN e di OPERA sono sincronizzati al nanosecondo.

Neutrini misurati da Neutrini misurati da OPERAOPERAAnalisi cieca

Questa misura deve essere corretta da tutti gli errori statistici e sistematici che si riese a individuare.

Neutrini misurati da Neutrini misurati da OPERAOPERARisultato attuale

in netta contraddizione con quello della supernova.

Si noti che l’effetto epurato degli errori individuati finora è meno del 6 % della misura iniziale….

E’ necessaria una misura indipendente che confermi questo risultato.

Nel frattempo Opera sta cercando di migliorare la misura cambiando i tempi di produzione dei neutrini

Neutrini misurati da Neutrini misurati da OPERAOPERARisultato preliminare di novembre 2011

in accordo con quello precedente….

Ma proprio due giorni fa è stato annunciato che sono stati individuate due possibili cause di ulteriore correzione a questi risultati.

Il primo riguarda la calibrazione dell'orologio atomico utilizzato nell'esperimento: una prima anomalia "a favore" delle misure di settembre, poiché in base ad essa i neutrini risultano essere più veloci. Il secondo effetto è invece in contraddizione con le misure di settembre: "Molto sottile, legato alla trasmissione del segnale dalla fibra ottica all'elettronica di acquisizione dei dati". In condizioni normali la connessione di questo cavo ha due stati: on e off. "Lo utilizziamo da anni e in passato ha sempre funzionato correttamente. Ma poi - ha spiegato Ereditato - è successo qualcosa per cui la connessione non era né accesa né spenta,

ma in una posizione intermedia. Adesso - ha aggiunto - abbiamo il potenziale sospetto che questo effetto possa essere stato attivo mentre prendevamo i dati sui neutrini".

Quindi l’esperimento verrà ripetuto a breve.

ConclusioniConclusioni

Se i neutrini viaggiano con velocità superiori aquelle della luce deve essere confermato o confutato da ulteriori esperimenti.

Per ora è stata misurata una velocità superiore di circa 2 parti su100000 che è in disaccordo con la misura della supernova che ha posto un limite almeno 100 volte più alto.

Anche se alcuni fisici avevano cominciato a pensare a come poter conciliare questo risultato con la relatività ristretta, appare un percorso arduo e per ora difficilmente percorribile.

Aspettiamo nuovi dati sperimentali, possibilmente da più esperimenti indipendenti.

Come sempre in fisica si continuano a verificare tutte le teorie, anche quelle più solide e sempre qualcosa di nuovo si impara

dalla natura.

neutrini superluminali

Documents