Viaggio al centro della Terra a cavallo dei neutrini

1. Viaggio al centro della Terra a cavallo dei neutrini Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

2. Di cosa parlero’ @ Cosa sono i neutrini ? @ Come e’ costituita la Terra? @ A cosa e’ dovuto il calore all’interno della Terra? @ Perche’ studiare i neutrini emessi dalla Terra? @ Cosa abbiamo imparato finora? Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

3. Facciamo un passo indietro: cosa sono le particelle elementari? Sono i costituenti elementari della materia Le particelle stabili che costituiscono la materia sono: Elettrone: costituente dell’atomo; obbedisce alle forze elettromagnetiche Protone e Neutrone ( in verita’ il n vive in media :886,8 s): costituenti del nucleo; obbediscono alle forze nucleari forti Neutrino, avente carica 0, e massa molto piccola- esso e’ disaccoppiato dalla materia Ma ci sono molte altre particelle instabili, che si trasformano cioe’ dopo tempi molto piccoli ( da un miliardesimo di secondo a molto meno) in altre particelle Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

4. Ma come si studiano le particelle ? Creando delle situazioni dinamiche si accelerano particelle stabili come il protone e si inviano contro altri protoni, o contro dei bersagli materiali. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

5. p (fermo) p (1TeV) Equivale a parecchie migliaia di centrali nucleari BIG BANG Little Bang Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

6. Formazione dei nuclei con particelle stabili- le particelle instabili prodotte nel BB sono decadute (B) Separazione Radiazione- Particelle (A) Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

7. C.M.B. a 3 K; residuo fossile della radiazione separatasi nella fase A Fase A Fondo di neutrini nell’universo: ~300/cm3; residuo fossile dei prodotti di decadimento delle particelle instabili prodotte nel BB Fase B A C+D+E F+G L+M (stabili) D+H+I particelle stabili =p,n,e- part. stabili D+L+.. Ma p ,e-, n formano la materia I neutrini rimangono disaccoppiati Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

8.   P R O P R I E T A’ • ha carica nulla • ha massa molto piccola • ha spin, cioe’ ruota su su stesso come una trottola, • girando in modo antiorario. Se esistesse un neutrino destrorso • (non lo sappiamo ancora) sarebbe sterile • ha una bassissima probabilita’di interagire con altre particelle: • puo’ attraversare l’Universo rimanendo indisturbato • come tutte le particelle esiste la sua antiparticella (antineutrino) Quindi e’ una formidabile sonda per esplorare zone irraggiungibili: interno del Sole e della Terra, lontano Universo, ecc. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

9. Esempio: @ I fotoni, prodotti all’interno del Sole, impiegano     ca.100000 anni ad uscire dalla nostra stella, mentre i     neutrini escono da essa in 2-3 secondi: quindi i neutrini     danno informazioni sul funzionamento del Sole in tempo     reale. @ I neutrini sono I primi messaggeri a raggiungerci quando esplode una Supernova. @ Come abbiamo gia’ detto, possono attraversare l’Universo rimanendo indisturbati. @ Ma ugualmente attraversano la Terra senza essere      perturbati Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

10. Nocciolo interno -SOLIDO Earth structure • Dimensioni della Luna; • lega Fe – Ni ; • solidoa causa dell’alta pressione,malgrado la temperatura di ~ 5700 K; Nocciolo esterno-liquido • Spessore 2260 Km- lega Fe-NI • liquido- • temperatura ~ 4100 – 5800 K; • geodynamo: • Moto di liquido conduttivo; D’’ layer: transizione mantello- nocciolo • spessore: ~200 km; • discontinuita’ sismica; Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

11. Mantello inferiore • alto rapporto Mg/Fe ; • T: 600 – 3700 K; • alta pressione: viscoso; • spessore:~2000 km Zona di transizione • 400-650 km di spessore • Sede delle fessurazioni oceaniche; Mantello superiore Altamente viscoso, sul quale galleggiano le placche tettoniche Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

12. La crosta terrestre • Crosta oceanica: • spessore ~ 10 km; • Sede delle fessurazioni   oceaniche • Crosta continentale ; • spessore: 30 – 70 km ; • metamorfico, • Sede di rocce sedimentarie Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

13. Come avere informazioni sull’interno della Terra? Sismologia P – onde longitudinali S – onde trasversali Informazioni sulla densita’ e sulla fase:liquido o solido; ma non si ottengono informazioni sulla composizione chimica Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

14. Geochimica Calore terrestre Misure dirette @carotaggi (max:12 km.) nella crosta continentale; meno profondi in quella oceanica @rocce portate dalla eruzioni vulcaniche @studio del mantello dalle fessurazioni oceaniche Modelli geochimici @meteoriti @composizione del Sole Bulk Silicate Earth (BSE) Evoluzione del mantello dalla sua costituzione primordiale dopo la separazione Fe-Ni, ma utilizzando anche le misure dirette. 31-46 TW gradiente di temperatura nella crosta-gradiente nelle fessure oceaniche 19-46 TW stima dell’energia termica dovuta ai decadimenti radioattivi-georeattore • 238U  206Pb + 8 a + 8e- + • + 6 anti-neutrinos + 51.7 MeV • 232Th  208Pb + 6 a + 4e- + • + 4 anti-neutrinos + 42.8 MeV • 40K  40Ca + e- + • + 1 anti-neutrino + 1.32 MeV Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

15. Vi sono nel mondo solo due rivelatori capaci di studiare i geoneutrini Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

16. Zona del Gran Sasso Misura del sedimento Studio della crosta (Engadina) Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

17. Studio dei geoneutrini per sapere: @- Qual’e’ la frazione di calore terrestre prodotto dai decadimenti radioattivi @- Quanto calore radioattivo e’ prodotto nel mantello- differenziazione fra crosta continentale e crosta oceanica @- C’e’ radioattivita’ anche nel nocciolo? Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

18. Come si rivelano gli anti-neutrini g(0.511 MeV) PROMPT SIGNAL Evisible = Te + 2*0.511 MeV = = Tgeo-n – 0.78 MeV e+ p ne g(0.511 MeV) DELAYED SIGNAL p mean n-capture time on p 200 ms n n g (2.2 MeV) Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

19. Antineutrini da reattori. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

20. Studio delle caratteristiche dei reattori- “data base” e contatti diretti con IAEA e EdF • Composizione del combustibile • Flusso di antineutrini • Spettro in energia • Potenza media mensile o settimanale • Distanza dal Gran Sasso • Probabilita’ di interazione dell’ antineutrino Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

21. Simulazione di eventi falsi da parte della radioattivita’ Naturale: @ altissimo livello di purificazione @ ottimo schermo delle rocce dai raggi cosmici- laboratorio underground Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

22. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

23. Detector design and layout Stainless Steel Sphere: 2212 photomultipliers 1350 m3 Scintillator: 270 t PC+PPO in a 125 m thick nylon vessel Water Tank: gand n shield mwaterChdetector 208 PMTs in water 2100 m3 Nylon vessels: Inner: 4.25 m Outer: 5.50 m 20 legs Design based on the principle of graded shielding Carbon steel plates Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

24. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

25. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

26. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

27. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

28. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

29. Records in the radiopurity achieved by Borexino Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

30. 0,0000000000000000002 g di contaminante radioattivo a fronte di 1 g di materiale rivelante Cioe’ un miliardesimo di un miliardesimo di materiale e’ radioattivo Emissione dalle rocce assorbite dalle 2100 tonnellate d’acqua, purificata anch’essa Schermo ai raggi cosmici da 2500 m circa di roccia. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

31. Interno del Counting Test Facility Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

32. Come si dovrebbe osservare nel rivelatore Spettro aspettato teoricamente Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

33. BOREXINO 2010 • Presa dati: Dec 2007 to Dec 2009; 537.2 giorni effettivi • 21 anti-n candidati in totale Simulazione con il computer Risultato sperimentale Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

34. Confronto con i modelli 68%, 90% and 99.73% C.L. Max radiogenic BSE Min radiogenic Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

35. Kamland Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

36. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

37. Moto conduttivo nel mantello- rete di esperimenti nel mondo Mappa delle differenze di distribuzione di calore nel mantello Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

38. Esperimenti futuri SNO+ Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

39. Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano

40. Conclusioni @ E’ dimostrata l’esistenza dei geo-neutrini, antineutrini emessi nei decadimenti radioattivi all’interno della Terra Essi provengono sia dalla Crosta sia dal Mantello I decadimenti radioattivi sono la principale sorgente di calore terrestre; forse essi producono il 100% del calore terrestre.Per conoscere la percentuale esatta bisogna raccogliere piu’ dati (2-3 anni) La dislocazione del calore all’interno del mantello, causa dei fenomeni vulcanici e tettonici, potrebbe essere ottenuta mediante un certo numero di esperimento, tipo Borexino, dislocati in vari punti sulla Terra ( 2 funzionanti e due in progetto- almeno 10 anni) @ @ @ Gianpaolo Bellini- Universita' e INFN- Milano