NEUTRINI SOLARI

L'esistenza del neutrino venne ipotizzata nel 1930 da W.Pauli, per spiegare lo spettro continuo del decadimento β, ma la particella fu scoperta 26 anni dopo dai fisici Cowan e Reines nel corso di un esperimento di fissione nucleare; il nome della nuova particella venne proposto da E. Fermi per analogia con il neutrone, essendo neutra come il neutrone, che però è molto più pesante. Si tratta di una particella elementare, un fermione, quindi dotato di spin 1/2 e massa, anche se molto piccola; il primo ad ipotizzarne la massa fu B. Pontecorvo nel 1962, anche se è stato verificato solo nei primi anni del 2000 con gli esperimenti fatti col Super-Kamiokande. La massa risulta da 100^.000 a 1 milione di volte inferiore a quella dell'elettrone, che vale 9.10 x 10^-31 kg=0.510998910 MeV/c²; inoltre il neutrino non ha nessun tipo di carica, quindi non sente la forza elettromagnetica, mentre è sensibile all'interazione debole ed alla gravità, che a causa della sua massa risulta trascurabile.

Schema dei due possibili decadimenti beta

Animazione che riproduce la fissione indotta

A causa del fatto che il neutrino interagisce debolmente con ciò che lo circonda, quando si muove attraverso la materia occorrerebbe un muro spesso un anno luce in piombo per bloccare la metà dei neutrini che lo attraversano, per quanto riguarda le stelle solo una supernova che sta collassando, avendo un nucleo con una densità pari a 1014 g/cm³, è in grado di intercettare parte dei neutrini prodotti; in effetti nel 1987 si è scoperto che in una supernova che collassa, quando i protoni e gli elettroni si combinano a formare i neutroni viene emessa dell'energia, in gran parte sotto forma di un flusso di neutrini. In quell'anno vennero rilevati i neutrini prodotti dalla supernova 1987a.

Ci sono 3 tipi, o "sapori", di neutrini, ognuno collegato alla particella leptonica con cui viene creato: il neutrino elettronico, ν_e (massa <2.2 eV) legato all'elettrone, il neutrino muonico, ν_μ (massa <170 keV) legato al muone, e il neutrino tauonico, ν_τ (massa <15.5 MeV) legato alla particella τ; quando vengono create viene anche creata la relativa antiparticella, che ha la stessa massa.

Nel Sole vengono creati solo neutrini di tipo ν_e, che non interagendo con la materia circostante raggiungono la superficie quasi immediatamente; per molti anni il numero di neutrini solari teorizzato e quello rilevato hanno mostrato una discrepanza inspiegabile di un fattore 3, il famoso problema dei neutrini solari, che ha coinvolto la comunità scientifica dalla metà degli anni sessanta fino al 2002. Il problema è stato risolto grazie alla scoperta del fenomeno noto come "oscillazione di sapore", o del neutrino, già ipotizzata da Pontecorvo nel 1967, secondo il quale i neutrini oscillano come se avessero diversi sapori: se dei neutrini elettronici vengono prodotti durante una reazione nucleare, come previsto dal Modello Solare Standard, ma interascono subito con un bosone W possono, durante una oscillazione a seconda della distanza percorsa e della loro energia, produrre muoni e ν_μ o elettroni e ν_e. In effetti il periodo di oscillazione è molto piccolo, ma viaggiando i neutrini a velocità vicino a quelle della luce, possono percorrere grandi distanze durante una oscillazione.

Grafico con i valori teorici previsti di neutrini solari e i valori riscontrati con i vari rivelatori da Terra

A causa di questo meccanismo si è potuto concludere che il Sole emette esattamente il numero di neutrini ν_e ipotizzati teoricamente, ma i rivelatori non riuscivano ad identificarne i 2/3 perchè le particelle avevano cambiato "sapore" durante il viaggio fino a Terra; questo ha richiesto di ipotizzare prima, e verificare poi, che il neutrino avesse una massa, per poter "oscillare" interagendo con altre particelle.
Nel 2001 al Sudbury Neutrino Observatory si riuscirono ad rilevare tutti e 3 i tipi di neutrini solari e l'emissione totale risultò quella che era stato previsto teoricamente nel primo Modello Solare Standard, in cui i neutrini non avevano massa; inoltre la proporzione tra i 3 sapori dei neutrini si accorda con quella teorizzata dall'"effetto materia", o anche effetto MSW (da Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein, i primi fisici a ipotizzarlo), che descrive le oscillazioni dei neutrini nella materia. Infatti le proprietà dei neutrini variano in maniera diversa all'interno della materia rispetto a quelle che hanno nel vuoto, a causa delle interazioni con la materia che li circonda, e quindi anche le oscillazioni di neutrino possono essere notevolmente diverse nella materia rispetto a quelle che avrebbero gli stessi neutrini nel vuoto. Ma le oscillazioni dipendono dalla differenza delle masse dei neutrini al quadrato, quindi anche le variazioni di sapore sono probabilisticamente diverse nel vuoto e all'interno di un mezzo; se inoltre il mezzo ha una densità che varia durante il percorso del neutrino, anche le variazioni di sapore sono funzione del tempo di percorrenza.
In ogni caso lo studio dei neutrini non si può considerare concluso in quanto, ad esempio, non si sa ancora con certezza di come si "originano" le masse dei neutrini.

Rivelatori di neutrini

Nel decennio 1980 sono stati costruiti dei rivelatori di neutrini solari, fra i quali il Sudbury Neutrino Observatory e il Super-Kamiokande, per poterne misurare il flusso; dai loro risultati si scoprì che i neutrini hanno una massa a riposo, anche se estremamente piccola, e che quindi possono oscillare.
I rivelatori di neutrini si possono dividere in tre tipi, ma tutti e tre sono costituiti da grosse quantità di materiale situato in cavità sotterranee o miniere abbandonate, per proteggerli dai raggi cosmici e da tutti i tipi di radiazioni:

Rivelatori al cloro: serbatoi riempiti di tetracloruro di carbonio, in cui un neutrino converte un atomo di cloro in uno di argon, la reazione inversa del decadimento β dell'argon 37

ν_e + ³⁷Cl → ³⁷Ar + e^-Il fluido viene periodicamente trattato con dell'elio, per rimuove l'argon, in quanto il tempo di dimezzamento, o emivita, in cui l'³⁷Ar si ritrasforma in cloro è di 37 giorni. La radioattività del gas così estratto permette di calcolare il numero di atomi di Ar prodotti. Questi rivelatori sono sensibili solo ai neutrini elettronici, inoltre la minima energia che il neutrino incidente deve possedere per essere rivelato è di 814 keV, quindi si risce a catturare la maggior parte dei neutrini che ci arrivano, esclusi quelli della reazione pp.
Con questi rivelatori si può conoscere il flusso medio neutrinico nell'arco di un mese, ma non la direzione dei neutrino incidenti, o la sua energia; fu il rivelatore al cloro della miniera di Homestake, South Dakota, il primo a scoprire il deficit di neutrini provenienti dal Sole. Questo rilevatore venne costruito alla fine del 1960, conteneva 520 tonnellate di C₂C_l4 ed è rimasto operativo fino al 1998.

Rivelatori al gallio: il funzionamento è simile a quello che avviene nei reattori al cloro, ma la reazione che vi avviene utilizza il gallio che, attraverso un processo β-inverso, si trasforma in germanio
ν_e + ⁷¹Ga → ⁷¹Ge + e^-Essendo l'energia di soglia di 0.233 MeV, i rilevatori al gallio riescono a rilevare anche i neutrini della reazione pp, ma anche con questi rivelatori non si riesce a conoscere la direzione dei neutrini incidenti. A causa delle diverse caratteristiche del germanio, lo si può periodicamente separare dal resto della soluzione, utilizzando dell'azoto, per poi trasformarlo in gas germanio che, inserito in un contatore proporzionale, permette di contare il numero di atomi di germanio. Inoltre i nuclei di ⁷¹Ge prodotti dall'interazione ν-Ga sono radiattivi e decadono, dopo circa 16 giorni, spontaneamente in ⁷¹Ga tramite il processo di decadimento β+; durante il decadimento vengono emessi positroni e raggi X, facilmente rilevabili con le tecniche della fisica nucleare.
I rivelatori utilizzati nell'esperimento GALLEX, realizzato nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italia, dell'INFN dal 1991 al 1997, erano di questo tipo; l'esperimento è poi continuato fino al 2002 col nome GNO.
Anche i russi dal 1990 svilupparono un loro esperimento nel nord del Caucaso, SAGE, che usava gallio metallico invece che liquido e si è concluso nel 2006.

Rivelatori ad acqua: che si suddividono ulteriormente a seconda del tipo di acqua.

-	acqua pura: sono costituiti soprattutto da rivelatori di luce, i "tubi fotomoltiplicatori", che circondano una grande massa d'acqua; in essi il neutrino trasferisce parte della sua energia ad un elettrone, che "scatterato" si muove più velocemente del normale, ma sempre meno della luce nel vuoto
		ν_e + e^- → ν_e + e^-Questo provoca l'emissione di luce visibile, la radiazione Cherenkov, che viaggia nella direzione del neutrino incidente e che viene rivelata dai tubi fotomoltiplicatori; in questo modo il neutrino viene registrato in tempo reale e quindi se ne può conoscere la traiettoria, permettendo di costruire una vera e propria mappa del cielo visto in neutrini. Questo tipo di rivelatore "vede" tutti i tipi di neutrino, anche le sezioni d'urto sono diverse: quella dei ν_e è maggiore di un fattore 6 rispetto a quella degli altri; però questi rivelatori non sono in grado di mettere in luce l'emissione degli elettroni colpiti da neutrini d'energia troppo bassa, infatti hanno una soglia in energia di circa 5 MeV. Il Super-Kamiokande, che registrò il flusso di neutrini provenienti dalla Supernova 1987a e che ha permesso di calcolare le masse dei neutrini, è ad acqua pura; venne realizzato in Giappone e originariamente era stato pensato per rilevare il decadimento del protone. Il Kamiokande è situato nella miniera Kamioka, a 1000 m di profondità, e delle circa 1200 t di acqua contenute nel cilindro in acciaio, solo le 680 t più interne vennero usate come rivelatore, le altre servivano per schermarle; il cilindro era poi circondato da 950 fotomoltiplicatori. Inizialmente l'energia di soglia era di 9 Mev, poi abbassata a 7.5Mev. Nel 1996 venne migliorato, diventando il Super-Kamiokande: il volume di acqua totale venne portato a 50^.000 t e quello efficace come rilevatore a 22^.500 t, il numero di fotomoltiplicatori venne portato a 13000, che dalla fine del 2001 all'inizio del 2006 fu però dimezzato a causa di una esplosione dovuta all'elevata pressione.

-	acqua pesante: usano tre tipi di reazione per rivelare i neutrini, la prima è quella dei rivelatori ad acqua pura, cioè lo scattering elastico, nella seconda si fa collidere il neutrino con un atomo di deuterio per ottenere un elettrone, cioè si ha l'interazione di corrente carica, nella terza invece il neutrino spezza in due l'atomo di deuterio, avendo l'interazione di corrente neutra
	ν_x + e^- → ν_x + e^- ν_e + d → p + p + e^- ν_x + d → ν_x + p + n Sia lo scattering elastico che la reazione di corrente neutra sono sensibili ai tre tipi di neutrino (x=qualunque tipo), mentre l'interazione di corrente carica è sensibile solo ai neutrini elettronici, inoltre gli eventi possono essere identificati in maniera distinta; quanto prodotto dalle reazioni viene poi rivelato dai "tubi fotomoltiplicatori". Questo tipo di rivelatore riesce a rivelare tutti e tre i tipi di neutrino e il rivelatore del Sudbury Neutrino Observatory è di questo tipo. Si tratta di un esperimento canadese iniziato nel 1999, in cui il rilevatore è posto a 2000 m di profondità, nella miniera di Sudbury, Ontario; viene usato un contenitore sferico di 12 m di diametro, con 1000 t di acqua pesante, circondato da uno "schermo" di acqua e da 9600 fotomoltiplicatori. A causa della bassa efficienza della cattura di un neutrino da parte del deuterio nell'acqua sono stati sciolte 2 t di sale.

Altri esperimenti sono attualmente in corso o in fase di progettazione, sia in Italia che nel resto del mondo, alcuni sono qui elencati:
OPERA: è un esperimento del Laboratoro Nazionale del Gran Sasso che cerca di osservare direttamente l'oscillazione dei neutrini muonici in neutrini tauonici; i neutrini muonici vengono prodotti dal progetto CNGS presso il CERN di Ginevra (Svizzera) ed inviati al Gran Sasso; qui i neutrini tauonici interagiscono con un bersaglio ed uno spettrometro magnetico. Il bersaglio è formato da strati di scintillatori plastici tra cui sono inseriti dei "mattoni", costituiti da pile di emulsioni fotografiche alternate a fogli di piombo. I tauoni risultanti dall'interazione tra i neutrini tauonici e i mattoni viaggiano all'interno del bersaglio, e poi decadono in particelle più leggere; durante il tragitto lasciano delle traccie sulle emulsioni fotografiche che possono essere analizzate.

Il rilevatore contiene circa 150^.000 mattoni, e si prevede che nei 5 anni previsti di lavoro riesca a misurare un piccolo numero di eventi, tra 10 e 20; il rilevatore ha iniziato a lavorare nel 2008. LSND: il Liquid Scintillator Neutrino Detector di Los Alamos, i dati raccolti fino ad ora sono tutti favorevoli alla teoria dell'oscillazione dei neutrini e suggeriscono anche che gli antineutrini muonici possono oscillare diventando antineutrini elettronici.
	BooNE: acronimo di Booster Neutrine Experiment, costruito presso il Fermilab a partire dal 1997; il primo esperimento di rivelazione dei neutrini risale al settembre 2002, mentre il primo di rivelazione di anti-neutrini è del gennaio 2006. Entro il 2011, sempre al Fermilab, entrerà in funzione il MiniBooNE, un enorme contenitore criogenico sferico, con 170 t di argon liquido e circondato da detector, che dovrà confermare quanto ricavato dagli esperimenti del LSND, misurare le oscillazioni dei neutrini e verificare le violazioni di simmetria CP e CPT.
	Borexino: in costruzione dal 2007 nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN, una collaborazione INFN con la Princeton University, il cui schema di funzionamento è simile a quello dell'SNO, quindi si basa sullo scattering elastico di un elettrone ed un neutrino le cui le interazioni vengono rilevate nel momento in cui avvengono.

Icarus: in costruzione ai Laboratori nazionali del Gran Sasso dell'INFN; si basa sulla rivelazione di un evento tramite una camera a bolle piena di Argon liquido.
Heron: si basa sulla rivelazione di scattering elastico di un neutrino ed un elettrone, e dovrebbe misurare principalmente i neutrini della reazione pp e del boro-7, che essendo di bassa energia sono i più difficili da rivelare.
Bisogna anche considerare il rivelatore AMANDA nell'Antartide, e il suo successore IceCube, che studiano i neutrini per avallare alcune teorie cosmologiche, quale l'esistenza di un numero di dimensioni superiori alle 4 canoniche dello spaziotempo.

L'edificio esterno dell'esperimento AMANDA e IceCube e la struttura di quest'ultimo confrontata con la torre Eiffel