Bruno Pontecorvo e la fisica del neutrino

1. Bruno Pontecorvo e la fisica del neutrino Non esiste idea sulla fisica del neutrino che non sia di Pontecorvo (VTelegdi)

2. Piano del Seminario • Breve introduzione sulle proprietà • del neutrino • La vita di Bruno Pontecorvo • L’ attività scientifica di Pontecorvo • La grande intuizione di Pontecorvo • Le oscillazioni : scoperta e stato • attuale della ricerca • Conclusioni

3. La storia del neutrino è iniziata 80 anni fa’. Quello che sappiamo ora • I neutrini sono fermioni che sono sottoposti soltanto ad interazioni deboli • Interagiscono mediante lo scambio di un W (correnti cariche) o mediante lo scambio di uno Z0 (correnti neutre). • La teoria V-A richiede, nel limite di massa nulla, che soltanto neutrini (anti neutrini) left-handed (right-handed) siano attivi. • Nel Minimum Standard Model (MSM) vi sono 3 tipi di neutrini e il corrispondente numero di anti neutrini. • Le interazioni hanno la stessa forza per le tre specie (UNIVERSALITA’) • I neutrini sono accoppiati ai corrispondenti leptoni carichi, cosicché abbiamo 3 doppietti leptonici

4. Sorgenti di neutrino • Neutrini galattici e extra galattici • Neutrini solari ***** • Neutrini atmosferici ***** • Geo neutrini • Neutrini man made • reattori ***** • acceleratori ***** Relic Cosmic background radiation E=1.7 10-4 Ev

5. Nascita del neutrino Nel 1930 Pauli introduce il neutrino Lettera di Pauli a un meeting di fisici in Tubingen introduce il neutrino per salvare la conservazione dell’energia nel decadimento beta lo chiamo’ neutrone ,poi Fermi lo ribattezzò neutrino nella sua formulazione della teoria del decadimento beta . E famoso il fatto che per spiegare la sua assenza al meeting scrisse che doveva partecipare a un ballo a Zurigo Dalla lettera di PAULI ……… I Ask you to listen graciously … I will explain the continous beta Spectrum……. I have hit upon a desperate remedy to save the energy theorem. It could exist in the nucleus electrically neutral particles ,that I wish to call neutrons, …… in the beta decay a neutron is emitted . So that the sum of the energy of neutron and electron is constant. I dont’ feel sure enough to publish ,so I first turn confidentilaly to you dear radioactives …..

6. Il processo studiato era nbar +p >> n+ e+ Il neutrino rimase un ipotesi sino agli anni 50 quando Cowan e Reines mostrarono le sue interazione nello studio del processo Antineutrino + protone neutrone + positrone al reattore nucleare del Savanna river Plant (USA) Pag 159 La rivelazione era ottenuta tramite la coincidenza ritardata In uno scintillatore del segnale di annichilazione del positrone e dei gamma emessi nella reazione n termalizzato + cadmio La stessa tecnica viene ancora usata per la rivelazione degli antineutrini ai reattori.

7. La vita Bruno Pontecorvo Pisa 1913 –Dubna 1993 Frequentò il biennio ingegneria a Pisa e poi giovanissimo nel 1929 si iscrisse al terzo anno del corso di laurea in Fisica a Roma diventando poi il più giovane collaboratore di Fermi. Nel 1936 si trasferì a Parigi, nel laboratorio di Joliot-Curie. In seguito alla occupazione tedesca fuggì negli Stati Uniti dove trovò lavoro(1940) nella Well Surveys società per la ricerca di pozzi petroliferi. Nel 1943 fu chiamato a partecipare alla costruzione di un reattore nucleare in Canada, dove rimase sino al 1948 . Nel 1948 ,ottenuta la cittadinanza britannica si trasferì, chiamato ds J. Cockroft, In Inghilterra . Nel 1950 , venne in vacanza in Italia, da li parti per Stoccolma. Da Stoccolma passò in Unione Sovietica nei laboratori di Dubna. Nel 1978 fece il suo primo viaggio in Italia, dove torno’ varie volte. A Dubna rimase sino all’anno della sua morte nel 1993,

8. Le varie tappe della carriera scientifica • Italia Roma, • collabora con Fermi nel celebre esperimento sui neutroni lenti • Francia Parigi, • Lavora con Joliot Curie sugli isomeri nucleari • Stati Uniti Tulsa, Oklahoma • Lavora in una industria per la rivelazione dei giacimenti petroliferi. • Mette a punto un metodo per la ricerca di elementi leggeri . • Un pozzo, una forte sorgente di neutroni, una camera a ionizzazione. • I neutroni rallentati negli elementi leggeri aumentano i conteggi nella camera. • Questo metodo ,ancora usato, mostra le capacità sperimentali di BP • Neutron well logging • A new Geological method based on nuclear Physics • Oil and gas Journal 40,32,1941 . • Canada, vedi dopo • Inghilterra Harwell • Partecipa alla costruzione della centrale atomica di Harwell , • si occupa delle fisica dei raggi cosmici.

9. Unione Sovietica Dubna • attività sperimentale • esperimenti al sincrociclotrone di Dubna • Una serie di lavori sulla cattura dimesoni m- in He3 • Per esempio • Measurement of the total muon capture rate in He3 • O.A.Zaimidoroga et al Physics letters 6,100,1963 • attività teorica • OSCILLAZIONI, vedi dopo • Due specie di neutrini, vedi dopo • Intermediate boson in weak interactions • High energy conference Kiev 1959 • Neutrino and astrophysics • Universal Fermi interactions and astrophysics • Zh exp theor fiz 36,1615, 1959 • traduzione di molti lavori pubblicati in russo si trovano in • Bruno Pontecorvo selected scientific works SIF 1997

10. CANADA 1946 1950 Del periodo canadese Ricordiamo a)Studio del decadimento del mesone mu b) Considerazioni sui neutrini 1)Universalità 2)possibilità della rivelazione dei neutrini c) Contatori proporzionali

11. A)Studio del decadimento dei mesoni mu • Al momento si sapeva • I mesoni mu decadono con una vita media di 2.2 ms • b) Una sola particella carica viene emessa nel • decadimento • Non era chiaro cosa fossero la particella/e neutre emesse nel • decadimento Lavoro sperimentale di Pontecorvo e Hinks Pag 102

12. Conclusioni dell’esperimento The average energy and the form of the energy spectrum of decay electrons are ,within the accuracy of theory and experiments, in agreement with the theoretical expectations for the “ Electron + 2 neutrinos process “ Graphite source Meson stop Graphite absorber Decay products detected

13. Considerazioni sulla natura delle interazioni deboli Universalità La costante di accoppiamento al bosone intermedio è la stessa per tutti ileptoni L’interesse di Pontecorvo fu suscitato dai risultati di un esperimento svolto a Roma sullo studio della componente dura dei raggi cosmici (1943-1947). L’esperimento fu compiuto durante e subito dopo l’occupazione tedesca di Roma. L’esperimento usava un magnete per la determinazione del segno delle particelle studiate,questo permetteva lo studio del diverso comportamento dei mesoni positivi e negativi.

14. La moderna fisica delle particelle ebbe inizio durante gli ultimi giorni della seconda guerra mondiale, quando un gruppo di giovani italiani, Conversi, Pancini e Piccioni, iniziarono un notevole esperimento" L. Alvarez (lezione Nobel 1968). L’esperimento di Conversi,Pancini e Piccioni Lo studio del mancato assorbimento della componente dura negativa dei raggi cosmici (mesoni mu) In elementi leggeri porta alla conclusione che queste particelle non sono quelle postulate da Yukava , ma particelle sottoposte a un nuovo tipo di interazioni Marcello Conversi Phys Rev 71 ,1947,209

15. in seguito all’esperimento cominciò a interessarsi al problema. Espresse le sue idee in una lettera a Gian Carlo Vick del 1947 Deep River 8 Maggio 1947 Caro Giancarlo …. Se ne deduce una similarità tra processi beta e processi di assorbimento e di emissione di mesoni, che,assumendo che non si tratti di una coincidenza, sembra di carattere fondamentale

16. Le sue considerazioni furono pubblicate in B Pontecorvo Nuclear capture of mesons and Meson Decay Phys Rev 72 246 1947

17. Dopo due anni l’universalità fu riproposta ed accettata G Puppi Nuovo Cimento 5 587 1948 Tiomno j,Wheeler J.A Rev Mod Phys 21 144 ,1948 Lee T.D ,Rosenbluth M,Yang C.N. Phys Rev 75 905 1949 Il primo accenno all’Universalità di B.P. passò inosservato. In nessuno dei lavori citati si trova un riferimento al lavoro di B.P, come osservato da J. Steimberger J Steinberger .Personal debt to Bruno Pontecorvo Selected works of Bruno Pontecorvo pg 455 Concusioni del lavoro There are few of us in particle physics who can boast of a single original and important idea.Bruno’s wealth of seminal suggestion estabilish him as a unique contributor to the advance of particle physics

18. La rivelazione dei neutrini La sezione d’urto dei neutrini venne calcolata in base alla teoria di Fermi da Bethe e Peierls nel 1934 (10-44 cm2). Il valore di questa sezione d’urto aveva convinto molti fisici che essi non fossero rivelabili direttamente. B.P. In una nota mostrò che Bruno Pontecorvo “ Inverse b processes” chalk river report PD-205 1946 l’intenso flusso dei neutrini da un reattore nucleare 1020 neutrini /sec avrebbe permesso lo studio dei processi iniziati da neutrini Pontecorvo considerò la possibilità della loro rivelazione usando il processo n + Cl37 Ar37+e Questo processo fu usato nell’esperimento di Davis sui neutrini solari . Il deficit del loro flusso rispetto a quanto calcolato diede inizio al cosiddetto Neutrino puzzle che fu poi risolto considerando il fenomeno delle oscillazioni Primi risultati anni settanta. Nel lavoro finale sui risultati dell’esperimento B. T. Cleveland et al astrophysical journal 496,505,1998 viene riconosciuta la paternità dell’idea di Pontecorvo.

19. Contatori proporzionali Pontecorvo contribuì allo sviluppo della tecnica dei contatori proporzionali. High multiplication proportional counters for energy measurements G.C.Hanna , D.H.W. Kirkwoop and Bruno Pontecorvo Phys Rev 75 985 1949 I contatori descritti furono usati nella misura dello spettro di decadimento del trizio The beta spectrum of 3H Phys rev 75 983 1949 Prima misura della massa del neutrino elettronico (M<500 eV) contatori proporzionali così sviluppati vennero usati da Davis nell’ esperimento sui neutrini solari Contatori proporzionali ad 3He sono stati anche usati dall esperimento SNO.

20. I due neutrini Negli anni 50 a Dubna BP cominciò a considerare la possibilita di esperimenti agli acceleratori Gli acceleratori di protoni sono una sorgente di neutrini forniti dal decadimento dei mesoni Pi greco . Sono questi gli stessi neutrini del decadimento beta? Problema discusso in Electron and muon neutrinos Zh Exsp Teor fiz 37,1751,1959 Nello stesso periodo questo problema fu studiato da Mel Schwartz Possibility of using H.E. neutrinos to study weak interactions Phys Rev Letters 4 307 1960

21. Un esperimento fu eseguito ai National Laboratory of Brookhaven. Si trovò che i neutrini emessi nel decadimento del mesone p, prodotti dal fascio di protoni dell AGS, interagendo producono mesoni m e non elettroni Observation of high energy neutrino interactions and the existence of two kind of neutrinos. G. Damby et al ( Lederman,Schwartz,Steimberger) Phys Rev Lett 9 36 1962 Per quanto riguarda i neutrini da acceleratori nel 1975 Bruno propose un esperimento di beam dump. Si fermi il fascio di protoni in un elemento pesante , pai e k prodotti vengono assorbiti prima di decadere , solo le particelle charmate possono decadere dando origine a una egual mistura di nm e ne B Pontecorvo Zh Exsp teor phys 69 452 1975 Esperimenti beam dump CERN BEPC ,CDHS, Charm (gruppo di Roma)

22. Wide band beam Beam dump

23. le oscillazioni The experimental estabilishment of neutrino oscillations can be considered a real triumph of Bruno Pontecorvo who first introduced this concept and pursued this idea for many years when the general consensus did support massless neutrinos, with no possiblity of Oscillations Samuel Bilenki

24. Bilenky Pontecorvo :Mister Neutrino Neutrino Workshop Venezia 2006

25. Un po’ di teoria Gli autostati delle interazioni deboli na ne nm nt non sono gli autostati di massa n1 n2 n3 ni Essi sono legati dalla relazione na=Uai. ni La matrice U (unitaria) è la matrice di Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata

26. Gli elementi della matrice saranno caratterizzati da tra angoli q12 , q23 ,q13ed eventusalmente una fase Nella espressione delle probabilità di oscillazione nel caso semplice di oscillazione di due famiglie P(12)= sin2(q(12))Sin2(1.27DM212)L/E) L cammino percorso ( Km, m), E energia (Gev Mev) DM212=M12 –M22 Dove M1 e M2 sono le masse degli autostati 1,2 Molti di questi parametri son ben conosciuti Per q13 ci sono solo limiti superiori Il miglio limite è dato dall’esperimento CHOOZ Apollonio et al EPJ C 27,331,2003 Per i valoriattuali di questi parametri mi autocito U.Dore,D.Orestano: Experimental results on neutrino oscillations Rept.progr.phys 71 106201 2008 arXiv:0811.1194

27. Probabilita di oscillazione • P(12)= sin2(q(12))Sin2(1.27DM212)L/E) • Le oscillazioni possono essere osservate • quando il termine oscillante è diverso da zero. • E dunque dovrà essere • E/L~DM212 o maggiore • Le oscillazioni possono essere osservate • in esperimenti • Disapparizione si osservano meno neutrini • di quanto prodotti • Apparizione appaiono neutrini non presenti • alla produzione

28. Nel 1958 una falsa notizia raggiunse Pontecorvo Davis aveva osservato la reazione ESEMPIO di violazione del numero leptonico Egli allora assunse che esiste una nuova forma di interazione che viola il numero leptonico e che quindi permette la transizione nel vuoto B. Pontecorvo Mesonium and antimesonium Sov Phys Jept 6,429,1957 B.Pontecorvo Inverse beta processes and no conservation of lepton charge Sov Phys Jept 7,172,1958

29. SENSIBILITA alle oscillazioni con diverse sorgenti di neutrini

30. All’epoca della primitiva idea di oscillazioni non esistevano due tipi di neutrini dopo la scoperta dell’esistenza di due tipi di neutrini BP introdusse la possibilità di oscillazioni tra neutrini di vario sapore Bilenky,Pontecorvo Physics reports 41,225,1978

31. La storia sperimentale delle oscillazioni cominciò con il cosiddetto “neutrino puzzle” L’esperimento di Davis sui neutrini solari dimostrava che il rapporto tra i flussi dei neutrini misurati nell’esperimento e quelli predetti dallo standard solar model (SSM) (Principale artefice J Bahcall) era minore di uno f(Davis)/f(SSM)=0.34 ±0.04 Primi risultati J.Bahcall,R,Davis Science 191,264,1976 Risultato finale B.T Cleveland et al. Measurement of solar neutrino flux with the homestake detector Astrophysica journal 496 505 1998

32. Lo spettro dei neutrini solari Sono generati da processi di fusione nel core del sole Processo  Fondamentale Energia dei neutrini (Ev)

33. L’esperimento di Davis Esperimento per rivelare i neutrini solari tramite la reazione n + Cl37 >> Ar37+e 30000 galloni di tetracloroetilene in una grande tank nella miniera di Homestake South Dakota a una profondità di 4800metri L’argon è radioattivo , veniva estratto e i prodotti di decadimento venivano rivelati in dei contatori proporzionali

34. Molte interpretazioni furono date di questo risultato • Esperimento sbagliato • Problemi col SSM • Neutrino decay • etc • Ma BP solo difese l’interpretazione del risultato • come effetto delle oscillazioni dei ne emessi dal sole • Lepton mixing and the solar neutrino puzzle • Bilenky,Pontecorvo • Dubna Report E 10545 1977 “It appearsthat the explanation in terms of neutrino mixing … Is much more actractive and much more natural than other Explanations”

35. Il deficit dei neutrini solari è stato poi confermato da vari esperimenti e soprattutto dai grandi rivelatori Cerenkov ad acqua in Giappone nella miniera di Kamioka Kamiokande,SuperKamiokande Fukuda et al phys rev lett. 81 98 1998 e dagli esperimenti radiochimici sul gallio Gallex,GNO Gran SAsso,SAGE,Baksan Cleveland,Gavrin Radiochemical Nucl-ex/0703012

36. Disgraziatamente Pontecorvo morì prima di vedere che la sua interpretazione delle oscillazioni fosse sperimentalmente provata. Questo avvenne nel 2003 per i neutrini solari 2003 “annus mirabilis” • The SNO Experiment • The Kamland experiment Un altro fenomeno in cui sono state osservate Oscillazioni è quello delle oscillazioni dei neutrini muonici atmosferici

37. The SNO experiment SNO è un rivelatore Cerenkov ad acqua pesante situato in Sudbury ,Canada

38. Risultati Aharmin et al Phys Rev C 75,045502,2007 Reazione 1) depressa Reazione 2) in accordo con lo SSM Reazione 3) lo scattering di neutrini elettrone su elettrone sono depresse, come già osservato negli esperimenti con Cerenkov ad acqua (SuperKamiokande) I neutrini e diventano neutrini t o m nel loro viaggio dal sole alla terra Prova evidente di oscillazioni

39. Lo scattering su elettrone Neutrini e Corrente carica e Corrente neutra Neutrini mu e tau solo corrente neutra s(ne)= 6xs(nm,nt)

40. Araki et al Phys rev lett. 94 08891 1994 2005 Un’altra prova delle oscillazioni fu il fatto che l’esperimento Kamland sensibile agli anti neutrini del reattori (esperimento svolto inGiappone,Il giappone è ricco di reattori nucleari) dimostrò una riduzione del flusso di questi antineutrini compatibile con i risultati dei neutrini solari . Dopo i due esperimenti citati l’ esistenza delle oscillazioni divenne un risultato sperimentale ben fondato. le oscillazioni riguardavano i neutrini o gli antineutrini e i parametri di questeOscillaziono divennero ben misuratiL Probabilità di sovravvivenza P=1-P1-P2 Figura che mostra I parametri delle oscillazioni

41. The KAMLAND experiment A piccole distanze si è sensibili a q13 (Chooz) Dm2=2.510-3 L=1 km E =~Ev Dm2L/E~1 A grandi distanze ,per q13 piccolo, si è sensibili aq12 (parametroche regola le oscillazioni dei neutrini Solari) sen2(2q)=0.83 Dm2=5.510-5 ev2 L=100 km ,E =~Ev Dm2L/E~1

42. Le Oscillazioni dei neutrini atmosferici I neutriniatmosferici sono creati dal decadimento di mesoni p (k) prodotti dalle interazioni dei raggi cosmici primari. Avremo neutrini m prodotti dal decadimento dei p, neutrini elettrone dal decadimento dei m La rivelazione del neutrini atmosferici richiederà laboratori sotterranei per eliminare i mesoni m che potrebbero costituire fondo.

43. Curve dati e Previsioni del MC La figura mostra il flusso di neutrini in funzione dell’angolo q, angolo con la verticale i neutrini elettrone attraversano la terra i neutrini mu spariscono Questi risultati ottenuti dalla Collaborazione SuperKamiokande Y. Fukuda et al phys rev lett 82 ,2644,1999 Si sono ottenuti risultati anche al Gran Sasso Rivelatore Macro al Gran Sasso,Ambrosio et al. EPJ C36 33 2004

44. Si tratto di esperienze di disapparizione interpretate come oscillazioni nmnx, La piusemplice interpretazione nmnt I parametri di questa oscillazione sono mostrati in figura. Due esperimenti con neutrini da acceleratori hanno confermato questi risultati K2K measurement of neutrino disappearence Han et al PrD 74 072003 (Gruppo di Roma) First obervation of atm neutrinos in Minos Adamson et al PrD 73 092003

45. L’interpretazione delle oscillazioni come oscillazioninmnt non è stata verificata direttamente. L’esperimento OPERA, costruito al Gran Sasso, si propone di verificare questa interpretazione rivelando i neutrini t prodotti dalle oscillazioni nel cammino CERN -Gran Sasso.in un fascio di neutrini m creato al SPS del CERN Opera è un rivelatore a grande granularità spaziale basato su emulsioni nucleari che quindi permettono permettono di rivelare il decadimento del t prodotto che ha un cammino di decadimento molto breve (gruppo di Roma)

46. Situazione attuale • da i neutrini solari • Oscillazioni di neutrini elettrone • Dai neutrini atmosferici • Oscillazioni dei neutrini mu Questi parametri sono ragionevolmente ben determinati L?unica incognita si ha solo un limite superiore è q13 Futuri esperimenti

47. La misura di q13 e il principale scopo degli esperimenti attuali. Esperimenti agli acceleratori T2K Giappone inizio run quest’anno (gruppo di Roma) o proposti NOVA Usa Fermilab Questi esperimenti si basano sulla rivelazione della probabilità di oscillazione P(nmne) al primo ordine P(nmne)=0.5 sin2(2q13)sin2(1.27Dm223L/E) Se si troverà un valore di questo angolo non troppo piccolo allora sarà aperta la porta alla determinazione della fase d della matrice di mixing e quindi allo studio della violazione di CP nelle interazioni di neutrino Esperimenti ai reattori L’esperimento Daya Bay in Cina permetterà di migliorare I presenti limiti (Chooz) di un fattore 10

48. Problemi aperti nella fisica del neutrino • 1) Majorana o Dirac • Un problema fondamentale che riguarda la natura • stessa dei neutrini • Sono essi particelle di Dirac o di Majorana ? • Dirac un neutrino e un antineutrino • Majorana un solo neutrino con due stati di elicità • 2) Valore delle masse dei neutrini

49. 1) Majorana o Dirac? Un processo che permette la soluzione del problema è il neutrino-less beta decay Il processo del neutrino-less beta decay consiste nella diretta emissione di due elettroni da un nucleo (A,Z) che decade nel suo isobaro (A,Z+2) Il processo con emissione di due antineutrini conserva il numero leptonico Il processo neutrino-less è permesso solo per neutrini di Majorana. L’osservazione di questo processo sarebbe quindi la dimostrazione che i neutrini sono neutrini di Majorana

50. La rivelazione del doppio beta decay è il soggetto di molti esperimenti. Una rassegna in Neutrino Dirac or Maiorana? E. Fiorini Neutrino oscillations in Venice,575,2006 Voglio ricordare l’esperimento Cuore. che prenderà dati nel 2011 ai laboratori nazionali del gran Sasso (Gruppo di Roma)