A caccia di neutrini

8. SNO - neutrini camaleonti

di L. Benussi, F. Toti Lombardozzi, A.Venturelli

Visibili, invisibili, in movimento e trasformandosi un tipo nell’altro, questi “piccoli visitatori” potrebbero comportarsi come camaleonti a personalità multipla. Immaginate che uno di voi lanci una palla di base-ball. Durante il suo percorso, questa palla si trasforma in pallone di calcio e, prima di arrivare a voi,si trasforma in una palla da tennis. È possibile che i neutrini si comportino allo stesso modo.”

L’osservatorio neutrinico SNO (Sudbury Neutrino Observatory) é stato realizzato nella miniera Creighton d’INCO, grazie a una collaborazione scientifica internazionale (Canada, USA e Gran Bretagna). L’esperimento viene condotto al “riparo” dai raggi cosmici, filtrati da 2000 metri di roccia. Il rivelatore è rappresentato da un recipiente sferico di 12 metri riempito con 1000 tonnellate di D2 O (acqua pesante). L’acqua pesante, la cui molecola contiene Deuterioicona_glossario (nucleo costituito da un protone e da un neutrone) al posto dell’idrogeno normale (nucleo costituito solo da un protone), è particolarmente sensibile al neutrino. Nell’acqua pesante, un neutrino può essere diffuso da un elettrone producendo un lampo di radiazione, o da un nucleo di deuterio, che viene scisso in un protone e un neutrone. Un neutrino può anche essere assorbito da un nucleo di deuterio, che si trasforma in due protoni e un Positrone icona_glossario, l’antiparticella dell’elettrone.

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fonte immagine: www.sno.phy.queensu.ca

Nelle condizioni sperimentali all’interno del rivelatore del SNO, le interazioni con l’acqua pesante dei neutrini incidenti possono essere di tre tipi: 

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Reazione a corrente carica

νe + d → p + p + e-

Con νe= neutrino elettronico p = protone, e- = elettrone.

Il neutrino elettronico che colpisce il nucleo del deuterio provoca una interazione debole, mediata dal Bosoneicona_glossario intermedio W, che trasforma il neutrone in protone. Il processo libera un elettrone che porta con sé la maggior parte dell’energia del neutrino incidente. L’elettrone si muove nell’acqua con velocità superiore a quella della luce nello stesso mezzo, per cui emette, decelerando, un lampo di luce Cherenkov icona_glossario. L’energia del neutrino incidente può essere calcolata misurando l’intensità della luce Cherenkov che arriva ai fotomoltiplicatori, i quali determinano anche la direzione di provenienza del neutrino.

 
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Reazione a corrente neutra

nx + d → p + n + nx

Quando un neutrino, uno qualsiasi dei tre sapori, colpisce il nucleo di una molecola di acqua pesante ne determina la scissione in un protone e un neutrone. Il neutrone diffonde nell’acqua fino a che non viene catturato da un nucleo, emettendo raggi gamma che consentono di rivelare la reazione, in quanto questi provocano la diffusione di elettroni e l’effetto Cherenkov associato. In questa reazione, un ruolo importante è giocato dalla capacità di cattura dei neutroni da parte del deuterio e dalla cascata di raggi gamma prodotta dalla cattura del neutrone. Per rendere più efficace la reazione, a partire dal 2003 nella seconda fase dell’esperimento, all’acqua del rivelatore sarà aggiunto NaCl, in quanto il 35Cloro assorbe meglio del deuterio il neutrone.

 
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Diffusione dell'elettrone

e- + nx → e- + nx

L’incidenza di un neutrino (uno qualsiasi dei tre sapori, ma il neutrino elettronico prevale nettamente) provoca la diffusione di un elettrone. L’energia si ripartisce fra l’elettrone e il neutrino, per cui la reazione può essere convenientemente utilizzata soprattutto per determinare la direzione del neutrino.

 

Risultati

Il flusso di neutrini elettronici (νe) misurato dalle correnti cariche su nucleoni é stato (1,76 ± 0,11) x 106 cm-2 s-1.

Il flusso di tutte e tre le specie di neutrino, invece, misurato dalle correnti neutre su nucleoni è stato (5,09 ± 0,64) x 106 cm-2 /s-1.

Il flusso di (νe) previsto dal Modello solare standardè 5,05 x x 106 cm-2 /s-1. Sembra evidente che i conti possano tornare. Se la misura dei neutrini elettronici risulta, in tutti gli esperimenti, significativamente inferiore alle aspettative teoriche è perché ben due terzi dei neutrini elettronici hanno oscillato e al rivelatore si presentano in uno degli altri due tipi, muonico e tauonico.

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Nel mese di Aprile 2002, i responsabili della collaborazione SNO annunciano che i neutrini elettronici (il sapore prodotto dalle reazioni termonucleari che avvengono nel nucleo del Sole) rivelati sono solo una frazione (circa un terzo) del totale, in quanto la parte restante si trasforma negli altri due sapori prima di arrivare sulla Terra. La certezza del risultato (99,9%) è rappresentata dal fatto che per la prima volta sono stati rivelati anche gli altri due sapori di neutrini, quelli derivanti dalla trasformazione (per oscillazione) di circa i due terzi di neutrini elettronici emessi dal Sole.

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