Problema dei neutrini solari: differenze tra le versioni

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Il [[Sole]] è un reattore a [[fusione nucleare]] naturale, che fonde l'[[idrogeno]] in [[elio]]. I meccanismi principali di produzione di energia sono la [[catena PP]] (che ha alcune diramazioni, dette catene PPI, PPII e PPIII) ed il [[Ciclo del carbonio-azoto|ciclo CNO]]. L'energia in eccesso è rilasciata ai [[raggio gamma|raggi gamma]] e alle particelle sotto forma di [[energia cinetica]], come al neutrino, che viaggia dal nucleo del Sole fino alla Terra senza apprezzabili assorbimenti da parte degli strati superiori del Sole.

Man mano che gli esperimenti diventavano sensibili a porzioni sempre più grandi di energie dei neutrini incidenti, apparve evidente che il numero di neutrini rivelati era inferiore al numero previsto dalla teoria. In vari esperimenti il numero di neutrini osservato era tra un terzo e unla mezzometà di quanto predetto. Questo problema diventò noto con il nome di ''problema dei neutrini solari''.

== Flusso aspettato di neutrini ==

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:<math>\Phi_\nu (SNU) = \frac{\sum_i \sigma_{i,x} \phi_i}{10^{36}}</math>

dove ''i'' indica il tipo di reazione che produce neutrini, ''x'' il tipo di rivelatore, <math>\sigma</math> è la [[sezione d'urto]] del processo e <math>\phi</math> il flusso di neutrini.

Questa unità di misura è valida per gli esperimenti che usano metodi radiochimici, per quelli che usano lo [[scattering]] i risultati vengono dati in numero di neutrini per unità di tempo e di superficie, rapportati, normalmente, ad un modello solare standard.

Molti esperimenti per la rivelazione dei neutrini sono posizionati nel sotto terrasottosuolo, ad esempio in miniere abbandonate o in strutture apposite, allo scopo di schermare i rivelatori dai [[raggi cosmici]] e da altre fonti di radiazione.

=== Esperimento Homestake ===

{{Vedi anche|Esperimento Homestake}}

La prima evidenza del problema dei neutrini solari si ebbe intorno alla fine degli anni '60, quando [[Raymond Davis Jr.|R. Davis]] mise in piedirealizzò l'[[esperimento Homestake]], il primo volto alla rilevazione dei neutrini solari, nella [[miniera di Homestake]], nel [[Dakota del Sud Dakota]], negli [[Stati Uniti d'America|Stati Uniti]].

Il rivelatore usato nell'esperimento fu il [[cloro]]-37: esso è presente con una abbondanza di circa il 25% in natura, inoltre il cloro è un elemento facilmente reperibile, assorbe neutrini ad energie non troppo alte (si possono rivelare i neutrini del ramo del [[boro]]-8), ede inoltre si ha una buona [[sezione d'urto]] per assorbimento. La reazione usata è il [[decadimento beta]] inverso (<math>\nu_e+n\rightarrow p+e^-</math>):

:<math>\nu_e + \; ^{37}Cl \rightarrow \; ^{37}Ar + e^-</math>

L'[[energia di soglia]] per la reazione è di circa {{M|0,8 |ul=MeV}}, ciò permette di rivelare la maggior parte dei neutrini che arrivano sulla Terra, salvo quelli della reazione ''pp''.

Il tempo di presaraccolta dei dati era sufficientemente lungo (da uno a circa tre mesi) dain permetteremodo dida avereottenere una situazione dicerta equilibriostabilità (si noti che l'[[argon]] viene prodotto dal cloro, ma esso decade, con vita media di 35 giorni, in cloro).

DopoAl iltermine del tempo di presarilevamento dei dati l'argon veniva estratto dalla soluzione, con efficienze di raccolta superiori al 95%.

Dalla configurazione dell'apparato sperimentale si otteneva che, ad un atomo di argon ottenuto, corrispondeva un tasso di cattura di 5,26 SNU,; il valore deldi fondo aspettatoatteso per l'esperimento era di <math>0,4 \pm 0,16 \ SNU</math> per ogni ciclo di presaraccolta dati.

Questo esperimento restò in presa datidurò fino al 1994, ed il risultato totale dellaottenuto presadai dati raccolti fu:

:<math>\Phi_\nu = 2,56 \pm 0,16 \ SNU</math>

contro un valore aspettatoatteso (calcolato sulla base del modello BP(05)) di:

:<math>\Phi_\nu = 8,1 \pm 1,3 \ SNU</math>

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=== GALLEX / GNO ===

L'esperimento [[GALLEX]] è stato sviluppato in Italia, nei [[laboratori nazionali del Gran Sasso]]; la presaraccota dati cominciò nel 1991 per finire nel 1997; l'esperimento continuò, poi, la sua attività come GNO.

Questo esperimento usa come rivelatore il [[Gallio (elemento chimico)|gallio]], al posto del cloro, sfruttando la reazione:

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:<math>\Phi_\nu = 62,9 ^{+ 5,5} _{- 5,3} \pm 2,5 \ SNU</math>

per l'esperimento GNO, contro un flusso aspettatoatteso di:

:<math>\Phi_\nu = 126 \pm 10 \ SNU</math>

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L'esperimento [[SAGE (Soviet-American Gallium Experiment)|SAGE]] fu sviluppato in Unione Sovietica, nella regione del nord del [[Caucaso]], a partire dal 1990.

Le principali differenza rispetto al precedente esperimento sono nel tipo di rivelatore (Gallio metallico, invece che liquido) ed, evidentemente,e nella fase di estrazione.

Il risultato per questo esperimento è stato di:

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:<math>\Phi_\nu = 70,8 ^{+ 5,3} _{- 5,2} \; ^{+3,7} _{-3,2} \ SNU</math>

contro un flusso aspettatoatteso di:

:<math>\Phi_\nu = 126 \pm 10 \ SNU</math>

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Questo esperimento, realizzato in [[Giappone]], fu pensato originariamente per rivelare il decadimento del protone (Kamiokande I) e solo in un secondo momento fu usato, dopo alcune modifiche, per misurare il flusso di neutrini solari (Kamiokande II).

Il processo usato per rivelare i neutrini si basa sullo [[scattering]] su elettroni e non su un metodo radiochimico, per cui semplice acqua purificata è sufficiente come rivelatore.

La reazione su cui si basa la reazione è, quindi:

:<math>\nu_e + e^- \rightarrow \nu_e + e^-</math>

in cui, si noti, lo stato finale delle due particelle è differente da quello iniziale.

L'elettrone scatterato viene rilevato tramite emissione di luce [[effettoEffetto Čerenkov|radiazione Čerenkov]].

L'apparato, situato ad una profondità di {{M|1000 [[metro|ul=m]]}}, nella miniera di Kamioka, è stato posto in un contenitore cilindrico di [[acciaio]], di capacità di circa {{M|1200 [[tonnellata|ul=t]]}} di acqua ma come rivelatore furono usate solo le {{M|680 |u=t}} più interne per problemi di schermaggio da [[raggio cosmico|raggi cosmici]] e sorgenti radioattive naturali.

L'intero apparato era circondato da circa 950 [[fotomoltiplicatori]] che raccoglievano i fotoni emessi, trasformando questo debole segnale in un segnale elettrico misurabile.

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Il rivelatore Super - Kamiokande consiste, in effetti in un miglioramento del rivelatore Kamiokande, messo in funzione nel [[1996]].

Innanzitutto, il volume d'acqua era molto più grande di quello della prima versione e pari a 50000 tonnellate, il volume ''di fiducia'' aumentato, quindi, a 22500 tonnellate ed il numero di fotomoltiplicatori è stato aumentato a 13000 (S-K I).

Sfortunatamente il 21 novembre [[2001]] un incidente fece implodere circa la metà dei fotomoltiplicatori a causa dell'elevata pressione, e fu rimesso in funzione ridistribuendo i tubi rimasti intatti sulla superficie totale del rivelatore (S-K II).

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I risultati di questi esperimenti e di quelli basati su questo tipo di configurazione sono raccolti in tempo reale, contrariamente agli esperimenti basati su metodi radiochimici.

I risultati totali (per il S-K riporto i dati più aggiornati) ottenuti da questi due esperimenti e basati sulla rivelazione di [[scattering]] elastico sono:

:<math>K: \; \; \Phi_\nu = (2,80 \; \pm \; 0,19 \; \pm \; 0,33) \times 10^{6} \; cm^{-2} \; s^{-1}</math>

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:<math>\Phi_\nu = (5,69 \; \pm \; 0,91) \times 10^{6} \; cm^{-2} \; s^{-1}</math>

==== CommentiConclusioni ====

Si noti che questo esperimento, grazie alla forte correlazione della luce emessa con la direzione della particella incidente, fu il primo esperimento in assoluto a confermare l'emissione di neutrini da parte del soleSole, in quanto questa era solo supposta sulla base dei modelli e della conoscenza delle interazioni, e gli esperimenti radiochimici non davano informazioni sulla direzione della particella incidente.

Inoltre, in questi due esperimenti si poté misurare anche l'asimmetria tra neutrini emessi di giorno e neutrini emessi di notte, l'interesse standocausata neldal fatto che questi ultimi devono attraversare uno spessore di materia più(l'intera massa terrestre) grandemaggiore dei primi.

I risultati ottenuti dall'esperimento S - K sono stati:

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:<math>A_{DN} = \frac{D - N}{0,5 \; (D + N)} = -0,021 \; \pm \; 0,020 \; ^{+0,013}_{-0,012}</math>

Inoltre, la reazione usata per la rivelazione dei neutrini non è sensibile solo ai neutrini di tipo elettronico (contrariamente ai metodi radiochimici), ma a tutte le tre specie di neutrini,; tuttavia, la sensibilità legata ai [[Neutrino muonico|neutrini muonici]] e tau[[Neutrino tauonico|tauonici]] è solo il 20% di quella legata ai neutrini elettronici.

=== SNO ===