01 - Ultime notizie sui neutrini.
(da un convegno che si è tenuto a Venezia)
- 1 - Esistono tre tipi di neutrini. Essi sono ovunque nell'universo ed in quantità enorme. Essi
sono prodotti soprattutto dalle reazioni nucleari che avvengono nelle stelle. Altri sono
prodotti dalle particelle del vento solare che entrando nell'atmosfera interagiscono con
essa. Altri ancora sono prodotti nei reattori nucleari.
- 2 - I neutrini sono estremamente elusivi, essi interagiscono in modo estremamente debole
con la materia. Un neutrino potrebbe passare un ipotetico muro di piombo dello spessore
dell'intero sistema solare senza subire interazioni. La rilevazione del neutrino è quindi un
problema tecnologico complesso. Occorrono rilevatori giganteschi (per aumentare la
frequenza delle interazioni, essendo la loro probabilità molto piccola) posti immersi in
grandi quantità di materia (sotto le montagne, in fondo al mare ecc.) per filtrare le altre
particelle indesiderate.
- 3 - I neutrini hanno una massa diversa da zero, seppur estremamente piccola. Ciascun tipo di
neutrino ha una propria massa. Non si conosce ancora esattamente il loro valore ma si
conosce il loro limite inferiore ed i rapporti fra di esse. Avendo massa non nulla, di
conseguenza, i neutrini non possono viaggiare alla velocità della luce. Il precedente
"modello standard" sulle particelle prevedeva per il neutrino massa nulla e velocità uguale
a quella della luce (anche se c'è sempre stato il sospetto che il neutrino possedesse una
massa). Alla luce di questi nuovi dati, il modello standard è stato modificato. Inoltre, pur
avendo i neutrini una massa e pur essendo enorme il loro numero, ciò non è sufficiente
a spiegare la natura della "materia oscura" che costituirebbe la gran parte dell'universo.
- 4 - I neutrini oscillano. Un neutrino può cambiare la propria natura cioè si può trasformare da
un tipo all'altro. In questo modo si spiega perché i neutrini di un certo tipo prodotti dal sole
in effetti arrivano sulla terra in numero molto minore del previsto : essi si sono trasformati in
un altro tipo.
- 5 - I neutrini potrebbero essere legati al fenomeno di rottura di simmetria fra materia ed
antimateria che si pensa sia avvenuta nei primissimi istanti dell'universo. Il nostro universo
è fatto di materia mentre l'antimateria è assente o sporadica. Materia ed antimateria, però,
risultano perfettamente simmetriche (almeno teoricamente). Che fine ha fatto allora l'antimateria
che si sarebbe dovuta creare in egual quantità rispetto alla materia ordinaria nei primissimi
istanti di vita dell'universo ? Deve esserci stata ad un certo punto una rottura di simmetria
che ha spostato l' "ago della bilancia" verso la materia ordinaria. Ebbene, forse il neutrino
è implicato in questa primordiale rottura di simmetria.
- 6 - Il neutrino "conosce" la "storia dell'universo". Aprendo una "finestra" sui neutrini, si
potranno sicuramente avere nuove ed originali informazioni sulla nascita, evoluzione ed
esito dell'universo. Una grande quantità di "nuova fisica" aspetta di essere scritta !!!
- 7 - Per approfondire le conoscenze sui neutrini non possiamo accontentarci di studiare solo
quelli (seppur abbondanti) che ci pervengono dalle stelle. Abbiamo bisogno di crearne
in laboratorio anche perché così potremmo modularli e dirigere a piacere (sono possibili
anche applicazioni mediche dalla sicura caratteristica di essere assolutamente non invasive).
Per questo sono in atto progetti per la costruzione di "macchine" per la produzione controllata
di neutrini.
02 - Installata a Cesena la PET (tomografia ad emissione di positroni).
La PET è un sistema di diagnostica per immagini che si basa sull'uso dei positroni.
Il positrone è l'antiparticella dell'elettrone, cioè è identico all'elettrone eccetto che per la carica che è
positiva.
Nell'universo l'antimateria è assente o sporadica. Quando una antiparticella interagisce con una particella
si ha l'annichilazione di entrambe con emissione di un fotone (particella che trasporta la radiazione
elettromagnetica) ad alta energia (raggio gamma).
La PET (tomografia ad emissione di positroni) utilizza uno zucchero reso radioattivo al momento dell'uso
che viene iniettato nel sangue del paziente. Lo zucchero così trattato è tale da emettere positroni.
Lo zucchero viene metabolizzato nei tessuti del paziente ed i positroni prodotti da esso (dallo zucchero),
interagendo con la materia ordinaria a livello molecolare all'interno delle cellule, producono fotoni gamma
che vengono quindi captati da un apposito rilevatore.
Un computer, interpretando questi "lampi" fotonici, restituisce una mappa estremamente dettagliata
(il massimo finora ottenibile) dei tessuti del paziente a livello molecolare.
Dalla mappa così ottenuta è possibile rilevare tumori allo stato molto iniziale ed altre patologie di difficile
individuazione. I risultati che si ottengono sono di gran lunga superiori alla TAC e alla più sensibile
risonanza magnetica.
La PET sta avendo fondamentali applicazioni alle ricerche sul funzionamento fisiologico del cervello.
Con la PET è possibile addirittura "vedere" dove si formano pensiero e sensazioni.
03 - Evoluzione stellare : nascita, vita e morte di una stella.
Una enorme nube (nebulosa) costituita prevalentemente di idrogeno (l'elemento più diffuso
nell'universo) comincia a comprimersi grazie alla forza gravitazionale (sempre attrattiva) fra
gli atomi che la compongono.
Comprimendosi, la nube diviene sempre più densa e calda. Gli atomi di idrogeno, scaldandosi
sempre più (la temperatura è legata alla energia cinetica degli atomi, ovvero al loro grado di
agitazione) cominciano ad urtarsi con maggiore energia.
Ad un certo punto, a causa degli urti sempre più energetici, gli elettroni si staccano dagli atomi
di idrogeno e si forma un plasma (stato di aggregazione della materia in cui nuclei ed elettroni
sono mescolati in una specie di gas caldissimo).
A causa della gravitazione la nube diventa sempre più densa e calda ed ad un certo punto i
protoni cominciano ad urtarsi con sempre maggiore forza ed a raggiungere distanze relative
molto piccole. Riescono allora, a causa dell'enorme agitazione termica (energia) che possiedono,
a vincere le forze di repulsione elettriche che a distanze sempre più piccole diventano sempre
più grandi (inversamente proporzionali al quadrato della distanza).
Quando le distanze fra i protoni diventano più piccole di un certo valore critico, "scattano"
le forze nucleari.
La forza nucleare fra protoni fa sì che da nuclei di idrogeno si formino nuclei di elio. Questa
reazione si chiama fusione nucleare.
La reazione nucleare di fusione dell'idrogeno che avviene in una stella può essere così simbolicamente
indicata (in effetti è molto più complessa, ma a noi interessa capire il fenomeno a grandi linee) :
1 deuterio + 1 deuterio ===> 1 nucleo di elio + energia .
La reazione per la creazione dell'elio a partire dall'idrogeno ha una fondamentale caratteristica.
La massa di un nucleo di elio prodotto è lievemente minore della massa dei quattro nucleoni
che l'hanno formato.
Secondo il principio di conservazione della massa e dell'energia, se in una reazione si perde
massa essa si deve trasformare in energia.
L'energia che si libera in questa reazione è data dalla nota formula di Einstein :
E = m c ²
Sappiamo già (vedi precedente resoconto) che la produzione di energia dalla fusione nucleare è
enorme.
La stella così si "accende" emettendo una enorme quantità di energia sotto forma di radiazione
elettromagnetica (di tutti i tipi, dalle frequenze radio ai raggi gamma) e di particelle (per il nostro
sole, è il cosiddetto vento solare).
La stella raggiunge allora l'equilibrio e cessa di comprimersi perché la pressione verso l'esterno
prodotta dalla fusione nucleare controbilancia la forza gravitazionale che tenderebbe a farla
comprimere su se stessa indefinitamente.
Ma l'idrogeno che costituisce il "combustibile", trasformandosi in elio, prima o poi si esaurisce.
Dopo milioni o miliardi di anni (a seconda della sua massa) una stella è destinata a morire.
Avvengono allora tutta una serie di trasformazioni che portano la stella a diversi destini e ciò in
dipendenza della sua massa.
Schematizzando enormemente, si ha che se una stella è più leggera di una certa massa critica
(circa 7 masse solari) una stella diventa prima una gigante rossa e poi una nana bianca rimanendo
tale fino alla sua completa morte.
Per le stelle di questo tipo, dopo che si è bruciato tutto l'idrogeno, si comincia a bruciare l'elio
creando i nuclei fino al carbonio. A questo punto la stella, divenuta una nana bianca, sarà
costituita da carbonio e così lentamente si spegnerà.
Il nostro sole avrà questo destino !!! Nella fase precedente di gigante rossa diventerà così grande
e caldo da inglobare e distruggere almeno i pianeti più vicini (compresa, ahimè, la nostra terra).
Per le stelle dell'altra categoria (quelle con massa maggiore della massa critica) l'evoluzione è molto
più eclatante. Esse diventeranno giganti rosse e poi, esplodendo con una immane esplosione, (fase
di supernova) diventeranno o stelle di neutroni o buchi neri.
Durante la fase di gigante rossa, verranno creati dalle enormi temperature anche gli atomi fino al ferro.
Gli atomi più pesanti del ferro, però non possono essere creati in quella fase. Non vi è energia sufficiente.
Quando tutta la materia si è trasformata in ferro, non vi è più nulla da bruciare (non vi è energia sufficiente
per fondere il ferro e creare atomi più pesanti). A questo punto la stella "crolla su se stessa" non essendo
più la gravità controbilanciata dal calore prodotto dalla fusione nucleare.
Si ha così la creazione di una supernova con una immane esplosione. In pochi istanti tutta la massa della
stella collassa drammaticamente con emissione di grandi quantità di materia ed energia. Una supernova
è addirittura visibile in pieno giorno !!! (si ricordino le varie testimonianze storiche fra cui l'ultima , quella
di Tycho Brahe del 1572).
Durante l'esplosione che caratterizza la creazione di una supernova vengono messe in gioco energie così
alte (si tratta dei fenomeni energetici più intensi conosciuti) tali da produrre i nuclei più pesanti del ferro.
Abbiamo visto allora che i diversi tipi di atomo vengono creati a partire dall'idrogeno in quelle enormi fucine
che sono le stelle. Possiamo affermare quindi che veramente noi "siamo figli delle stelle" !!!
Sorge allora una domanda inquietante. Come è possibile che qui sulla terra esistano gli elementi più
pesanti del ferro quando il nostro sole non è in grado di produrli (appartenendo esso alla prima
categoria di stelle) ?
La risposta è che, probabilmente, la nebulosa da cui si è generato il sole (e con esso il sistema solare)
è stata "inseminata" dall'esplosione di una supernova che era nelle sue vicinanze.
04 - Stelle di neutroni (pulsar) e buchi neri.
Quando una stella massiccia (del secondo tipo) muore, una sua parte, dopo l'esplosione che produce
la supernova, si trasforma in un nucleo densissimo di neutroni.
Se, infatti, gli elettroni si fondono con i protoni, si ottengono neutroni. Quindi, in certe condizioni
di pressione, la materia si trasforma in neutroni estremamente addensati. Tutta la massa di una
stella si riduce così in una "palla" di pochi chilometri di raggio !!!
E' così che si forma una stella di neutroni.
Se poi, la densità di questa materia supera un certo valore, si ha un fenomeno che ha dell'incredibile.
Si ha la formazione di un buco nero che, secondo la teoria della relatività generale di Einstein, incurva
così tanto lo spazio intorno a sé da far sì che nemmeno la luce ne possa più uscire (da qui il nome).
Fine.