Virgo
entra in azione
L'interferometro VIRGO entra in azione e comincia la sua raccolta dati sulle onde
gravitazionali. Qui il servizio sul blog di Moebius, con l'intervista a Federico
Ferrini (direttore dello European Gravitation Observatory)
Le
leggi della Robotica di Asimov
Giulio Sandini (direttore del dipartimento di Robotica, Scienze Cognitive e del
Cervelo dell'IIT) spiega a Moebius, su Radio24, le tre leggi della robotica di
Isaac Asimov
Intelligenza
Artificiale
È nato il nuovo programma della redazione di Moebius e Triwù, condotto
da Federico Pedrocchi: in onda il sabato alle 14 e la domenica alle 18.50, affronteremo
tutte le complesse dinamiche in gioco nella relazione tra uomo e macchina
Esperimento Borexino dell'INFN sotto
il Gran Sasso d'Italia
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.
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