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I Neutrini, una pioggia cosmica By IK0ELN

{jathumbnail off}Introduzione

Come è nato l’Universo?  Come funzionano le Stelle?  Che cosa è la Materia Oscura?  Quale è la natura del Neutrino?
A queste domande sui misteri del Cosmo cercano di rispondere gli scienziati che lavorano nei laboratori sotterranei dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare del Gran Sasso.


Con lo studio della natura dei Neutrini, la ricerca sulla Materia Oscura, lo studio di Reazioni Nucleari di interesse astrofisico e la ricerca sui Decadimenti Rari, i ricercatori del Gran Sasso cercano di aprire una nuova finestra di osservazioni dei fenomeni che si manifestano nell’Universo, da cui trarre informazioni fondamentali sulla sua origine e sul suo destino.
Condivido con il lettore le difficoltà interpretative dell’argomento trattato in questo articolo che ho cercato di semplificare il più possibile per renderlo più fluido ai non addetti ai lavori. Tuttavia confido su una massima che mio nonno era solito pronunciare: “…l’arte del saper non è mai troppa!” 

 

Organizzata dall’Istituto J.F. Kennedy di Monterotondo (Roma), il 16 Maggio 2013, presso I.N.F.N. (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) del Gran Sasso si è svolta una giornata di studio su una materia scientifica attuale: i Neutrini.
Il gruppo di partecipanti, composto da circa 30 persone, tra cui anche il sottoscritto IK0ELN Giovanni Lorusso e IZ0GIS Eraldo Bulgarelli, ha raggiunto la Galleria del Gran Sasso intorno alle nove del mattino.
Così, dopo aver ricervuto i pass d’ingresso ed i caschi di protezione, siamo stati accolti dal Prof. Pierluigi Belli, ingegnere fisico nucleare  e ricercatore presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, che ci ha accompagnati in visita alle varie gallerie che ospitano le complesse strumentazioni adatte a svolgere questo delicato lavoro di ricerca.
E, man mano che attraversavamo gli enormi corridoi che mettono in comunicazione le gallerie, l’Ing. Belli ci informava che, secondo la teoria del Modello Standard delle particelle, i Neutrini sono particelle elementari con carica elettrica nulla e con massa zero; ma che, tuttavia, i risultati di recenti esperimenti, dimostrerebbero che i Neutrini sono dotati di una massa di piccolissime dimensioni (infatti la massa del Neutrino elettronico sarebbe 250.000 volte più piccola di quella dell’elettrone). Inoltre, sempre l’Ing. Belli  ci spiegava che in natura esistono ben tre tipi di Neutrini, l’uno diverso dall’altro: il Neutrino elettronico (E), il Neutrino muonico (MU) ed il Neutrino tauonico (TAU); associati rispettivamente all’elettrone, al muone, ed alla particella tau; comunque capaci di trasformarsi l’uno nell’altro.
Tali particelle, soggette alle forze deboli e gravitazionali, molto difficilmente interagiscono con la materia, rendendo molto complicata la loro rivelazione (si consideri che i Neutrini attraversano continuatamente il nostro corpo umano ed il nostro pianeta senza provocare nessun danno!).
Infatti, nonostante che dal nucleo centrale del Sole (Core) arrivino sulla superficie terrestre 60 miliardi di Neutrini al secondo per cm2, è stato necessario costruire apparati sperimentali di enormi dimensioni per rilevarne almeno alcuni al giorno! Nell’Universo sono presenti un numero abbondante di Neutrini, prodotti da innumerevoli processi fisici, nel rapporto di un miliardo per ogni singolo protone; per cui si è reso necessario costruire i laboratori in luoghi molto profondi, schermati con il piombo come la galleria del Gran Sasso, per evitare di rilevare anche i Neutrini di natura Cosmica (anedoto curioso: la schermatura delle pareti del Gran Sasso è stata realizzata con blocchi di piombo puro che trasportava una nave romana, che affondò al largo delle coste della Sardegna; in quanto piombo puro e non contaminato da altri minerali o radiazioni presenti sulla Terra!).
Ma già alla fine degli anni ’50 l’Ing. Bruno Pontecorvo affermava che i Neutrini hanno la proprietà di trasformarsi da un tipo ad un’altro, dando così luogo al fenomeno delle oscillazioni durante il percorso Sole-Terra.
Ed ecco che, la dimostrazione che i Neutrini oscillano indicano la presenza di una massa non nulla e diversa per ogni tipo.
Va aggiunto che la probabilità di oscillazione dipende dalla distanza percorsa dai Neutrini e dalla loro energia.
Il fascio di Neutrini muonici viene prodotto al CERN (Centro Europeo di Ricerca Nucleare) di Ginevra, utilizzando protoni di altra energia (400 GeV) estratti dall’accelleratore di particelle SPS; ed ogni tre secondi circa vengono fatti interagire con un bersaglio costituito da tredici cilindretti di grafite di pochi millimetri di diametro.
Il prodotto dell’interazione è un fascio composto da Pioni e Kaoni, che viene focalizzato per mezzo di due lenti magnetiche e indirizzato verso il Gran Sasso.
Entrambi i prodotti decadono in un tunnel lungo 1 Km diretto verso il Gran Sasso e danno origine a particelle cariche formate da Muoni e TAU, i quali continueranno a viaggiare nella stessa direzione delle particelle che le hanno generate.
Così, il fascio di Neutrini raggiunge praticamente indisturbato agli apparati sperimentali nei Laboratori del Gran Sasso, dopo aver percorso ben 730 Km sotto la superficie terrestre, ad una profondità di circa 11,4 Km, per effetto della curvatura terrestre. mentre attraversavamo le enormi gallerie, l’Ing. Belli sostava per spiegarci il funzionamento dei rilevatori, specificandone la funzione in rapporto al progetto di ricerca, qui di seguito elencati: Progetto OPERA (Oscillation Project with Emulsion tRaching Apparatus) è un rivelatore di grande massa realizzato con lo scopo di rivelare la comparsa di Neutrini TAU provenienti dal CERN di Ginevra (a tal riguardo è stato definitivamente affermato che i Neutrini non superano affatto la velocità della luce, 300.000 Km/s, confermando le esatte teorie di Albert Einstein); Progetto ICARUS (Imaging Cosmic and Rare Underground Signal) è un enorme rivelatore contenente 600 tonnellate di Argon liquido per studiare eventi rari ed, in modo particolare, le interazioni dei Neutrini a seguito della loro oscillazione e trasformazione da un tipo all’altro (MU e TAU); Progetto BOREXINO – NEUTRINI SOLARI, è un apparato sperimentale di grandi dimensioni, costituito da un grande reciepiente contenente 100 tonnellate di triclouro di gallio; così che, quando un Neutrino interagisce con il gallio (in media una volta al giorno) produce un atomo di germanio.
Poi, estraendo periodicamente gli atomi di germanio, attraverso tecniche Radiochimiche (ed ecco che la Radio fa la sua parte anche nella fisica nucleare!) è possibile determinare il numero delle interazioni dei Neutrini nell’apparato.
Come più volte accennato, nel nucleo del Sole, dove la temperatura raggiunge i 16.milioni di gradi, una serie di reazioni nucleari producono Neutrini.
Il processo principale che produce oltre il 98% dell’energia solare, consiste nella fusione di quattro protoni in un nucleo di elio, con l’emissione di una grande quantità di energia sotto forma di raggi gamma, calore e Neutrini.
A differenza dei fotoni che impiegano fino a centinaia di migliaia di anni per attraversare i 700.000 Km del raggio solare; ai Neutrini bastano poco più di due secondi e nei restanti 8 minuti raggiungono la Terra (va ricordato che la luce del Sole impiega 8 minuti per raggiungere il nostro pianeta, viaggiando a 300.000 Km/s, per percorrere 150.milioni di Km, cioè la distanza Terra-Sole) fornendoci preziose informazioni sui processi di produzione di energia nel Sole e in generale nelle stelle.
Grazie al Borexino, che è un rivelatore progettato principalmente per lo studio dei Neutrini solari, è possibile studiare reazioni fino ad oggi ipotizzate e finora mai rilevate, ad esempio il ciclo CNO (Carbonio, Azoto, Ossigeno), ruolo predominante per le stelle massive.
E’ molto probabile che il futuro utilizzo dei Neutrini sarà proprio per le telecomunicazioni.

IkØELN  Giovanni Lorusso

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