Scovati i geo-neutrini!

a cura di Barbara Gallavotti

Cosa genera il calore che si sprigiona dal centro della Terra? Curiosamente, non lo sappiamo: nella scienza avviene spesso che i fenomeni pù vicini o più vistosi siano anche i più misteriosi. L'esperimento Borexino, allestito presso i Laboratori del Gran Sasso dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha però annunciato questa settimana una importante risultato: ha captato alcuni anti neutrini, cioé particelle molto elusive che vengono prodotte in diversi fenomeni naturali.
Lo studio viene pubblicato dal sito scientifico online arXiv.org.
Gli anti neutrini catturati sotto il Gran Sasso provengono dalle profondità della Terra e hanno tutte le caratteristiche per essere stati prodotti in decadimenti di atomi radioattivi. Sono questi decadimenti a scaldare il pianeta? Lo abbiamo chiesto a Gianpaolo Bellini, responsabile dell'esperimento Borexino.

Ascolta l'intervista a Gianpaolo Bellini

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Per saperne di più (fonte: INFN)

Che cos'è Borexino
L'esperimento visto dall'esterno appare come una cupola di sedici metri di diametro al cui interno si trova una sorta di "matrioska", una di quelle bambole russe che entrano l'una nell'altra. Dentro la cupola infatti vi è un volume di 2.400 tonnellate di acqua che serve come primo schermo per filtrare le particelle di alta energia provenienti dal cosmo.
All'interno del volume dell'acqua si trova una sfera di acciaio che contiene, nella parte interna 2.200 fotomoltiplicatori, cioè apparati che possono registrare la presenza di lampi di luce provocati dai neutrini.
Proseguendo il nostro viaggio all'interno di Borexino, vedremmo contenuto in una sfera di nylon speciale, una enorme quantità (300 tonnellate) di liquido scintillante.
Il funzionamento assomiglia a quello di un vecchio flipper: quando i neutrini si "scontrano"con gli elettroni dello scintillatore trasferiscono loro parte dell'energia incidente, provocando un lampo luminoso nel liquido. Questi lampi vengono visti dai fotomoltiplicatori grazie alla trasparenza delle sfere interne. L'apparato consente di misurare l'energia dei neutrini incidenti, sia in primo luogo quelli che arrivano dal Sole sia, come in questo caso, quelli che vengono dall'interno della Terra

Le sorgenti di Energia all'interno della Terra
La Terra è costituita da tre parti: un Core metallico di circa 3500 km di raggio, il Mantello di 3000 km, ed infine la Crosta, formata essenzialmente da Silicati, di spessore variabile dai 30 ai 75 km per quanto riguarda la crosta continentale, e di circa 10 km per la crosta oceanica. La potenza termica all'interno della Terra viene stimata dai geologi fra i 31 e i 44 migliaia di miliardi di Watt; la stima è molto grossolana perché basata essenzialmente sui carotaggi, circa 2000 intorno al mondo, che penetrano molto poco in profondità (il maggiore in assoluto è di 12 km, nella penisola di Kola in Russia, profondità trascurabile rispetto al raggio terrestre).
Le origini di questa energia sono incerte, anche se si ritiene che un'importante frazione sia dovuta al calore emesso dalle disintegrazioni spontanee dell' Uranio, Torio e Potassio-40 contenuti all'interno del pianeta
Quale sia l'effettivo contributo radiogenico al calore terrestre è materia di dibattito nella comunità delle Scienze della Terra. L'ipotesi più condivisa è che la radioattività naturale renda conto di un po' più della metà del calore terrestre, ma esistono modelli alternativi secondo cui sarebbe all'origine del 100% dell'energia termica terrestre. All'origine di tale incertezza sta l'impossibilità di determinare, in conformità a dati osservativi, il contenuto di elementi radioattivi all'interno della Terra; le abbondanze degli elementi nel pianeta sono stimate in maniera assai indiretta, estrapolando all'interno della Terra le conoscenze, anch'esse incerte, sulla composizione chimica di meteoriti supposti rappresentativi della composizione iniziale del sistema solare, e tenendo conto di complessi fenomeni di evaporazione e separazione nel processo di formazione del pianeta. Esiste anche un modello geologico che ipotizza la presenza di materiale radioattivo, che produrrebbe un effetto simile a quello dei reattori nucleari, intorno al Core (Geo-reattore). Tale modello è considerato tuttavia poco probabile.
Il resto dell'energia termica potrebbe essere dovuto ad altre cause sconosciute. Si citano effetti come il calore latente di cambiamento di fase (quando un liquido diventa solido viene emessa dell'energia immagazzinata) ed altri più complicati. I riscaldamenti radiogenici contribuirebbero in maniera importante alla tettonica, al vulcanismo e alle propagazioni del calore all'interno del mantello.
Tutto quanto citato sopra è molto ipotetico, perché i geologi hanno pochi mezzi per investigare l'interno della Terra. La Fisica può però dare un importante aiuto sfruttando il fatto che molti decadimenti radioattivi emettono antineutrini, cioè l'antiparticella del neutrino. Il neutrino ( e così l'antineutrino) è una particella priva di carica, di massa piccolissima, la quale può attraversare l'Universo, e quindi anche la Terra, senza alterare le sue proprietà. Basterà citare il fatto che l'energia luminosa prodotta all'interno del Sole impiega almeno 10000 anni ad uscire da esso, da confrontare con pochi minuti impiegati dai neutrini. Quindi lo studio degli antineutrini emessi dai decadimenti radioattivi all'interno della Terra (geoneutrini) è ad oggi l'unico metodo per studiare cosa avviene nelle profondità terrestri.

I geoneutrini: un nuovo metodo di indagine dell'interno terrestre
I geoneutrini, come si chiamano gli antineutrini prodotti nelle catene di decadimento dell'Uranio, Torio e Potassio-40 all'interno della Terra, portano alla superficie del pianeta informazioni dirette sul contenuto di elementi radioattivi contenuti nelle viscere del pianeta.
La loro rivelazione rappresenta un modo di determinare, in maniera diretta, le abbondanze planetarie degli elementi da cui provengono, e dunque dà informazioni dirette sull'origine del pianeta e sulla quantità di calore prodotto dalla radioattività al suo interno.
L' esistenza dei geoneutrini fu predetta negli anni 60' da Marx ed Eder, ma solo in anni recenti il progresso nella rivelazione dei neutrini ha permesso di ipotizzarne uno studio sperimentale.
Il collegamento fra le predizioni teoriche dei modelli geologici e i possibili risultati sperimentali è stato oggetto di numerosi studi, sia in Italia (gruppo di Fiorentini- Univ. Di Ferrara), che in Giappone (Enomoto et al.)
Per studiare gli antineutrini bisogna farli interagire all'interno di rivelatori di grande massa, situati in laboratori sotterranei, per essere schermati dai raggi cosmici, e costruiti con tecnologie estremamente avanzate per rendere trascurabile la radioattività naturale presente nei materiali e nell'ambiente. Altrimenti i rari eventi prodotti dai neutrini ( o antineutrini) nel rivelatore, sono completamente mascherati dagli eventi prodotti dai raggi cosmici e dalla radioattività naturale. Borexino, istallato nei Laboratori sotterranei del Gran Sasso dell'INFN, ha sviluppato nuove tecnologie, che hanno permesso di raggiungere un livello di radio-purezza mai raggiunto finora da nessun altro esperimento. Inoltre il sito del Gran Sasso ha il vantaggio di essere molto lontano da reattori nucleari, che emettono anch'essi antineutrini, che possono simulare comportamenti simili a quelli emessi dalla Terra.

I primi tentativi di rivelazione dei geoneutrini
Già nel 2002 un esperimento giapponese, KAMLAND, sostenne di aver rivelato la radiazione dei geoneutrini, ma gli studi successivi dimostrarono che si trattava di un abbaglio: ciò che veniva osservato era in realtà dovuto alla presenza di un insidioso fondo di neutroni, che dava origine a dei "falsi geoneutrini". Nel 2005 ancora KamLAND ha fornito le prime indicazioni dell'esistenza dei geoneutrini. Il problema principale, in KamLAND era (e rimane) la distinzione fra il contributo dei geoneutrini e quello degli antineutrini provenienti dai numerosi reattori nucleari presenti in Giappone.

I risultati di Borexino
Borexino ha ottenuto in questi giorni l'evidenza dell'esistenza dei geoneutrini, riuscendo a evidenziarne il segnale con un'affidabilità superiore al 99,9%.
Il confronto con i modelli teorici di Fiorentini et al., che ipotizzano un contributo radiogenico poco maggiore della metà del calore terrestre (23 su 31-44 migliaia di miliardi di Watt di potenza) è ottimo, nei limiti della statistica raccolta. Inoltre i dati raccolti possono già invalidare l'ipotesi del cosiddetto geo-reattore.
Per rendersi conto della difficoltà dell'esperimento, una presa dati di oltre due anni fornisce due dozzine di eventi attribuiti a geoneutrini e ai reattori, dunque un evento al mese in totale e un evento di geoneutrino ogni due mesi!
Questo è solo l'inizio. Lo studio ovviamente continua e fra altri due anni sarà possibile avere misure di maggior precisione producendo quindi più informazioni sui meccanismi di produzione termica della Terra.
Borexino, con questa scoperta, ha aperto una nuova era nello studio dei meccanismi che regolano l'interno della Terra. Finalmente, seguendo le metodologie sviluppate da Borexino, sarà possibile investigare in modo non ipotetico l'origine e la distribuzione dell'energia termica all'interno del nostro pianeta. Vari esperimenti sono in fase di costruzione o di Ricerca & Sviluppo in vari siti del mondo: Canada, Finlandia, Hawaii, Sud Dakota. Se questi esperimenti ed altri esperimenti riusciranno ad ottenere "performances" del tipo di quelle ottenute da Borexino, confrontando le misure in differenti locazioni sarà possibile determinare la concentrazione di Uranio e Torio nella Crosta e nel Mantello e sapere qualcosa di più sulla loro locazione.

I laboratori del Gran Sasso dell'INFN
C'è un silenzio cosmico sotto il Gran Sasso e non c'entra la letteratura anche se l'immagine è molto romantica ed evoca suggestioni d'autore. Sono quei 1400 metri di roccia che assorbono le radiazioni e rendono il Laboratorio di fisica nucleare ospitato sotto la più alta montagna dell'Appennino un luogo speciale, molto speciale, unico al mondo. E' questo potente scudo protettivo a fare del Laboratorio un posto straordinario per i fisici, i quali, non a caso, accorrono in Abruzzo da ogni parte del mondo per studiare il mondo delle particelle e in particolare i neutrini e le particelle che compongono la misteriosa materia oscura; insomma le chiavi dei meccanismi che regolano l'universo. Il pioniere di questo tipo di studi era stato Raymond Davis in una miniera d'oro abbandonata, a Homestake, nel South Dakota, Stati Uniti, con i suoi studi sui neutrini prodotti dal sole. L'Italia non poteva non rimanere al passo anche perché aveva il posto giusto, avvolto dal "silenzio cosmico". Oggi 750 scienziati di 28 Paesi utilizzano il Laboratorio del Gran Sasso, considerato nel suo genere il migliore del mondo. Situata tra le città di L'Aquila e Teramo, a circa 120 km da Roma, la struttura sotterranea ha tre sale lunghe quasi 100 metri, larghe 18 e alte 20, collegate da vari corridoi le cui uscite si affacciano sulla galleria autostradale.
La struttura, diretta dalla professoressa Lucia Votano, è uno dei quattro Laboratori dell'Istituto di Fisica Nucleare di cui è presidente Roberto Petronzio, professore di Fisica Teorica all'Università Tor Vergata di Roma. L'Infn è l'ente italiano dedicato allo studio dei costituenti fondamentali della materia e svolge attività di ricerca, teorica e sperimentale, nei campi della fisica subnucleare, nucleare e astroparticellare