Neutrini, neutroni, atomi e stelle

Possiamo usare alcune proprietà dei neutrini per studiare i neutroni negli atomi, e ricavare dati utili per studiare le supernove e le stelle di neutroni? Sorprendentemente, la risposta è sì.

I neutrini sono particelle elusive. Teorizzati da Pauli nel 1930 furono scoperti solo 22 anni dopo, anche in relazione alle loro proprietà, che li rendono dei fantasmi nell’universo. Infatti, interagiscono solo con la forza nucleare debole e la forza gravitazionale, mentre non risentono né dell’interazione nucleare forte né dell’interazione elettromagnetica. Sono particelle abbondantissime nell’universo, tanto che ogni secondo passano più di 60 miliardi di neutrini per ogni centimetro quadrato di pelle; ma se potessimo costruire un muro di piombo spesso un anno luce esso bloccherebbe solo la metà dei neutrini che lo attraversano.

Eppure riusciamo a rilevarne la presenza, e oggi anche ad utilizzarli per sondare la materia. Come? Un passo alla volta…

Osservata per la prima volta la coerenza dei neutrini.

La pressoché assente interazione dei neutrini con la materia comporta la necessità di ricorrere a rilevatori molto massicci, del peso di molte migliaia di tonnellate, per poterne cogliere il passaggio. Questo perché il numero enorme di atomi presenti nei rilevatori aumenta la probabilità di osservare una collisione fra un neutrino e un nucleo.

Quella che si osserva, dunque, è l’interazione dei neutrini con singoli protoni o neutroni all’interno di un nucleo.

Ma nel 1974 fu previsto teoricamente che, quando un neutrino con energia relativamente bassa si avvicina ad un nucleo, può “percepire” l’intera carica debole del nucleo complessivamente e interagire con essa producendo il “fenomeno di diffusione elastica coerente”, o CeνNS (coherent elastic neutrino-nucleus scattering).

Schema del processo di diffusione coerente di neutrini. Crediti: M. Cadeddu e C. Giunti

Questa interazione fra i neutrini e il nucleo di un atomo è stata osservata per la prima volta lo scorso agosto 2017 dai ricercatori della collaborazione internazionale “Coherent” (un gruppo di 80 ricercatori provenienti da 19 istituzioni e 4 nazioni), che hanno utilizzato il più piccolo rilevatore di neutrini del mondo, allestito all’Oak Ridge National Laboratory. Il risultato è descritto in un articolo pubblicato su “Science”.

Osservare questo fenomeno è stato decisamente complicato, perché è stato necessario avere una fonte di neutrini con energia adatta ed utilizzare rivelatori estremamente sensibili.

Per compiere l’impresa è stata utilizzata come fonte di neutrini lo Spallation Neutron Source (SNS) dell’Oak Ridge National Laboratory, una sorgente di neutroni utilizzata per la ricerca scientifica che genera come sottoprodotto un elevato flusso di neutrini proprio con l’energia utile per la ricerca; inoltre è stato potenziato il rivelatore di cui è dotata l’apparecchiatura, la cui massa è peraltro di soli 14,5 chilogrammi.

L’osservazione di questo fenomeno non solo è interessante per i fisici teorici, perché conferma le previsioni del modello standard; ma può svelare aspetti ancora nebulosi della formazione di stelle di neutroni e delle esplosioni di supernova, processi nei quali si producono quantità enormi di neutrini.

Il microscopio a neutrini e il neutrone

Mentre dei protoni si conoscono molti dettagli di come siano disposti spazialmente all’interno dei nuclei, grazie alla loro carica elettrica ed a tecniche di analisi che utilizzano particelle cariche come gli elettroni; sulla distribuzione dei neutroni invece si sa poco o niente, proprio perché non hanno carica. Eventuali tecniche alternative all’uso di particelle cariche dipendono molto dal modello teorico di partenza adottato, e danno quindi risultati non affidabili.

I protoni, essendo carichi positivamente, si respingono quando si trovano vicini tra loro. Per evitare che il nucleo si disgreghi è necessario dunque che alcuni neutroni si interpongano tra i protoni, in modo da schermare la repulsione elettrostatica con l’interazione forte che si viene a creare tra i protoni e neutroni.

Per questo, generalmente i nuclei pesanti possiedono neutroni in numero maggiore rispetto a quello dei protoni, perché la forza forte che tiene uniti i nucleoni (protoni e neutroni) agisce a corto raggio, e quindi solo tra nucleoni adiacenti

Questo surplus di neutroni può in certe occasioni disporsi in una zona esterna dei nuclei, come se fosse una sorta di coperta o di “pelle dei neutroni”, che è però una proprietà dell’intero nucleo. In questo caso, il raggio della distribuzione dei neutroni sarà più grande di quella che compete ai protoni.

Schema esemplificativo della cosiddetta “pelle dei neutroni”. Crediti: M. Cadeddu e C. Giunti

 

Utilizzando la diffusione coerente di neutrini, in questi giorni un gruppo italo-cinese ha misurato per la prima volta la distribuzione dei neutroni nel nucleo di atomi di Cesio e di Iodio, ed ha scoperto che occupano più spazio del previsto.

L’analisi statistica di questi dati sperimentali ha permesso di estrarre il raggio della distribuzione dei neutroni di Cesio e Iodio, e tale raggio risulta pari a circa 5.5 femtometri (5.5 milionesimi di miliardesimo di metro). Questo dato è molto maggiore di quello previsto dalla maggior parte dei modelli teorici attuali, e va oltre l’incertezza della misura, che è ancora relativamente grande visto che è la prima osservazione in assoluto.

In altre parole, il nuovo studio ha scoperto che i neutroni “sporgono” dal nucleo un po’ di più rispetto ai protoni, oltre il previsto.

Questo potrebbe indicare che i neutroni non si comportano esattamente come atteso; e stupisce considerato tra l’altro che i medesimi modelli sono invece precisissimi quando anticipano le stesse grandezze per i protoni, sui quali esistono abbondanti misure sperimentali.

Aver trovato un valore maggiore per il raggio dei neutroni nei nuclei pesanti come il Cesio, ci dà alcuni dati sul raggio di una stella di neutroni, perché ci sono alcune relazioni dirette tra il raggio dei neutroni dei nuclei pesanti ed il raggio di una stella di neutroni. Combinando questa informazione con le osservazioni di Ligo e Virgo, che hanno recentemente osservato la fusione di due stelle di neutroni e fornito una indicazione sulle dimensioni delle stelle di neutroni, possiamo ottenere un dettaglio più preciso della fisica delle stelle di neutroni.

Inoltre, è da tenere presente che la diffusione coerente di neutrini avviene normalmente in natura, e questo fenomeno, purtroppo, crea un rumore di fondo inevitabile che mina in parte la ricerca diretta della materia oscura. Infatti le cosiddette particelle WIMP, candidate a ricoprire il ruolo di materia oscura, potrebbero interagire con i nuclei in modo simile alla diffusione coerente dei neutrini.

 

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