Problema dei neutrini solari
Il problema dei neutrini solari riguarda una grossa discrepanza tra l'osservazione e la teoria della fisica nucleare, che durò dalla metà degli anni Sessanta fino al 2002. La discrepanza è stata risolta grazie a una nuova comprensione della fisica dei neutrini, che ha richiesto una modifica del modello standard della fisica delle particelle.
Premessa
Il Sole è un reattore a fusione nucleare naturale, che fonde l'idrogeno in elio.
Le conoscenze attuali della fisica ci dicono che quattro nuclei di idrogeno (protoni), con o senza l'aiuto di catalizzatori, vengono trasformati in elio, neutrini ed energia. L'energia viene rilasciata in forma di raggi gamma ed energia cinetica delle particelle, neutrini inclusi.
I neutrini vennero inizialmente teorizzati per far quadrare le differenze di energia e momento angolare, quando un neutrone decade in un protone ed un elettrone. L'esistenza dei neutrini venne dimostrata con grande difficoltà a causa della loro massa trascurabile, dell'assenza di carica elettrica e di momento magnetico, e della loro velocità , prossima a quella della luce. I neutrini interagiscono con la materia solo attraverso la forza nucleare debole. Grossi serbatoi di acqua pesante circondati da particolari fotocellule, vengono usati come rilevatori di neutrini. Questi rivelatori vengono posti nelle profondità del terreno per schermarli dai disturbi indotti dai raggi cosmici. Con il progresso tecnologico e la costruzione di rilevatori sempre più grandi, divenne chiaro che il numero di neutrini provenienti dal Sole non coincideva con quanto predetto dal modello della combustione solare. In diversi esperimenti, il numero di neutrini rilevati era tra 1/3 e 1/2 di quelli previsti. La discrepanza può essere dovuta a un modello sbagliato del funzionamento del Sole, o del comportamento dei neutrini. Questo fatto è conosciuto come problema dei neutrini solari
Soluzioni
Le soluzioni basate su un modello del Sole errato, erano basate sulla premessa che la temperatura e la pressione all'interno del Sole fossero diverse da quanto si pensava. Ad esempio, siccome i neutrini misurano la quantità della fusione nucleare, venne suggerito che i processi nel nucleo del Sole fossero stati temporaneamente interrotti, e poichè occorrono migliaia di anni perchè l'energia si sposti dal nucleo alla superficie solare, questo non fosse immediatamente evidente.
Le soluzioni basate su una corretta comprensione della fisica solare furono rese insostenibili dall'eliosismologia che osserva come le onde si propagano attraverso il Sole. Basandosi su queste osservazioni, divenne possibile misurare le temperature interne del Sole, che concordavano con il modello standard.
Attualmente, si ritiene che il problema dei neutrini solari, risulti da una inadeguata comprensione delle proprietà dei neutrini. Secondo il modello standard della fisica delle particelle esistono tre tipi di neutrino:
- neutrini elettronici (che sono prodotti nel sole e rilevati negli esperimenti menzionati)
- neutrini muonici
- neutrini tau
La prima evidenza dell'oscillazione dei neutrini si ebbe nel 1998 dal Super-Kamiokande giapponese. Esso produsse osservazioni consistenti per i neutrini muonici (prodotti negli strati superiori dell'atmosfera dai raggi cosmici) che si trasformano in neutrini tau. Altre prove più dirette si ottennero nel 2002 dal Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Canada. Questo rilevatore era in grado di registrare tutti e tre i tipi di neutrino povenienti dal Sole, e fu in grado di distinguere i neutrini elettronici dagli altri due. Dopo una estesa analisi statistica, si trovò che circa il 35% dei neutrini provenienti dal Sole erano neutrini elettronici, mentre i restanti erano muonici o tau. Il numero totale di neutrini rilevati concorda abbastanza bene con le previsioni fatte dalla fisica nucleare basata sulle reazioni di fusione all'interno del Sole.
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