Come si produce un fascio di neutrini?

Riportiamo di seguito un articolo eccezionale e soprattutto chiarissimo di Marco Delmastro, un fisico delle particelle che lavora al CERN di Ginevra nell’esperimento ATLAS, tratto dal suo blog personale.

Immaginiamo che vogliate produrre un fascio di neutrini. Per esempio, potrebbe esservi passato per la testa di spedirne un po’ a 700 chilometri di distanza, a quel vostro amico che ha piazzato un rivelatore di neutrini nella caverna che ha scavato sotto la casa in montagna, e da tempo desidera verificare se e quanto effettivamente i neutrini cambiano sapore (come ha fatto il vostro amico a costruire un rivelatore che si accorga del passaggio di qualche neutrino, visto che questi interagiscono poco o niente? Ve lo racconto la prossima volta).

I neutrini non si vendono dal droghiere, non potere comprarne una bottiglia come fareste per esempio con l’idrogeno da cui tirate fuori i protoni per LHC. L’unico modo per ottenere un neutrino è trovare qualcosa che, decadendo, ne produca uno. Prendiamo ad esempio il neutrino muonico (che è il tipo di neutrino che il CERN invia verso i laboratori del Gran Sasso). Un modo per ottenerlo è sfruttare il decadimento del pione carico, che infatti decade (non solo, ma principalmente) così:

π−→μ−+νˉμ

π+→μˉ++νμ

La lettera pi-greco rappresenta il pione, l’esponente indica la carica elettrica. La lettera “mu” (μ) il muone (negativo) e l’anti-muone (positivo), la “nu” (ν) i rispettivi neutrini. Un sbarretta sopra una lettera indica che si tratta di un’antiparticella, anche se quando si indica anche la carica elettrica spesso la si tralascia (ogni fisico sa che un muone positivo è un antimuone). Ve la disegno con delle palline colorare, per chiarezza:

Se volete produrre dunque un fascio di neutrini muonici, dovete trovare il modo di produrre dei pioni positivi. Come si fa? Non è troppo difficile. Basta avere a disposizione un fascio di protoni, e mandali a sbattere contro un bersaglio composta da una qualche sostanza – un metallo o un gas, per esempio – che, sotto sotto, è anch’essa composta da protoni. Otterrete una reazione di questo tipo:

p+p→p+n+π++…

dove la p sta per protone, la n per neutrone, e i puntini di sospensione stanno a indicare che spesso ci sono anche altre particelle che saltano fuori (altri adroni, o magari fotoni), che per quello che ci riguarda non è essenziale considerare. Ricordatevi invece che il protone ha carica elettrica positiva, che il neutrone è appunto elettricamente neutro, e che dunque non potete modificarne la traiettoria con un magnete. Di nuovo con le palline:

 

 

 

 

 

 

Bene, avete tutti gli ingredienti che ci servono:

Il problema è che volete un fascio di soli neutrini, non un fascio di protoni, neutroni, muoni e neutrini, più magari qualche pione residuo che non è ancora decaduto. Siccome non c’è molto che possiate fare per deviare la traiettoria dei neutrini (i quali, per inerzia, tenderanno a proseguire nella direzione del fascio di protoni iniziale), l’unica soluzione che vi resta è quella di ripulire la zuppa di particelle da quelle che non vi interessano. Ci sono due modi per farlo: deviare le particelle cariche con un campo magnetico, per mandarle a sbattere fuori strada contro un muro sufficientemente spesso da fermarle, oppure mandare le particelle neutre che non ci interessano (neutroni, pioni neutri, fotoni) direttamente contro un analogo muro.

Siccome non potere mettere immediatamente un muro dietro il primo bersaglio (fermerebbe neutroni e fotoni, ma anche i pioni carichi, che invece devono ancora decadere per darvi muoni e neutrini), dovrete fare la selezione con i campi magnetici in due momenti successivi. Inizialmente devierete le particelle cariche positivamente (tra cui i pioni positivi che vi interessano) fuori strada, e mandare le particelle neutre a morire contro un muro. Una volta passato sufficientemente tempo da sapere che i pioni positivi sono decaduti in muoni e neutrini, devierete di nuovo fuori strada le rimanenti particelle cariche che non vi interessano (i muoni, i pioni che non sono decaduti, e i protoni rimasti), mandando il resto a sbattere contro un muro, per un filtro finale dal quale sopravviveranno solo i neutrini. Qualcosa del genere (cliccate sull’immagine per ingrandire):

Nella realtà, ovviamente, le cose sono un dito più complesse. Per esempio, nell’interazione del fascio di protoni con i bersaglio possono essere prodotte anche particelle cariche negativamente, che il primo magnete devia in direzione opposta a quelle cariche positivamente verso un altro muro che lo blocca. In più, l’entità della deviazione dipende dalla velocità delle particelle, che non è necessariamente uniforme: bisogna così anche selezionare i pioni che abbiamo una velocità, e dunque un’energia, che ci interessa. Ma insomma, il concetto è (circa) questo.

Come potete facilmente dedurre, esiste una correlazione tra l’energia e il tempo di impatto dei protoni del fascio principale con l’energia e il tempo di “partenza” dei neutrini prodotti. Ma questa correlazione non è necessariamente banale, e necessiterebbe uno studio dettagliato che per esempio il recente risultato di OPERA non ha presentato.

Per la cronaca, nel caso del fascio CNGS, i protoni che vanno sbattere contro il bersaglio vengono dall’SPS, il principale iniettore di LHC, e hanno un’energia di 450 GeV. Il fascio di neutrini dal CERN verso il Gran Sasso lavora dunque in “anti-coincidenza” con LHC: niente neutrini mentre LHC viene riempito per un nuovo run (i protoni dell’SPS entrano in LHC), mentre la produzione avviene mentre LHC accelera e collisiona (l’SPS, almeno fino al riempimento successivo, è libero).

Fonte: Come si produce un fascio di neutrini? | Borborigmi di un fisico renitente.

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