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Vecchio 25-08-07, 10:29   #1
Gabriele
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Predefinito Neutrini solari

25 Agosto 2007
Neutrini solari
di Claudio Elidoro - Fonte: Princeton University

Sembrerà assurdo, ma il miglior laboratorio di cui dispongono gli astronomi che stanno studiando la produzione di energia del Sole è immerso nelle viscere della terra. E' posto nel cuore del Gran Sasso, a più di un chilometro di profondità: è lì che gli astronomi e i fisici del progetto Borexino danno la caccia ai neutrini prodotti dalle reazioni che tengono accesa la nostra stella.
Il team che segue l'esperimento è composto da oltre 100 ricercatori e il cuore del progetto è un enorme contenitore di acciaio - 18 metri di diametro - riempito con 2400 tonnellate di acqua purissima. Come il famoso gioco russo delle bamboline una dentro all'altra, all'inteno di questo contenitore è posta una sfera di acciaio di 13,7 metri di diametro e, dentro questa, un'ulteriore sfera in nylon di 8 metri e mezzo riempita con 1300 tonnellate di un particolare liquido detto scintillatore. Tutt'intorno alla sfera in acciaio è collocata una schiera di rilevatori pronti a catturare la debole luminosità prodotta dai neutrini che attraversano lo scintillatore.
Questa serie di gusci e l'assoluta purezza dei materiali impiegati sono indispensabili per combattere il rumore di fondo - indotto soprattutto dal decadimento radioattivo dei materiali e dai raggi cosmici - e ridurre così al minimo i falsi allarmi nell'individuazione dei neutrini.
Ma perchè i ricercatori vanno a caccia di neutrini? Secondo i modelli correnti, l'energia del Sole viene prodotta nelle sue regioni più interne attraverso reazioni di fusione nucleare. Queste reazioni generano un'incredibile quantità di neutrini che, attraversando senza alcun problema tutto quanto il Sole, si disperdono nello spazio. Il guaio è che questi modelli prevedono la presenza di più neutrini di quanti finora si sia riusciti a osservare. Che fine fanno i neutrini mancanti? Delle due l'una: o i modelli correnti sono sbagliati, oppure sono le nostre conoscenze sui neutrini ad essere lacunose.
Negli ultimi anni ha preso forza l'idea che i neutrini prodotti dal Sole subiscano, nel corso del loro cammino nello spazio, una sorta di trasformazione. Le reazioni nel nucleo solare producono neutrini associati all'elettrone, ma questi possono trasformarsi in uno degli altri due tipi conosciuti, nel neutrino tau oppure nel neutrino associato al muone. Poichè questi due tipi di neutrino sono ancora più elusivi, invocando questa trasformazione si può riuscire a spiegare il perchè non tornino i conti.
L'importanza dell'esperimento Borexino, dunque, è cruciale. Il delicato conteggio dei neutrini, associato con le teorie delle loro trasformazioni, può confermare se le nostre idee sull'energia solare sono corrette. Ebbene, le misurazioni di Borexino - i risultati ufficiali saranno pubblicati su un prossimo numero di Physics Letters B - sembrano proprio indicare che siamo sulla strada giusta. Borexino ha fornito la prima misurazione diretta dei neutrini a bassa energia provenienti dal Sole e questo risultato è perfettamente in linea sia con i modelli di produzione energetica correnti sia con i modelli di oscillazione del neutrino proposti dai fisici.
Caso chiuso, dunque? E' troppo presto per dirlo, ma la via che stiamo percorrendo sembra promettere bene.


Links:

http://www.princeton.edu/main/news/a...1C35/index.xml

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Gabriele non in linea   Rispondi citando
Vecchio 03-09-07, 12:40   #2
elmar
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Predefinito Re: Neutrini solari

per me tutta la teoria su come funziona il sole è inconsistente.

La reazione di trasformazione dell'idrogeno in elio inizia con una fusione H1 + H1 + e-= D2 oppure H1 + H1 = D2 + e+. In ciascuna delle due reazioni verrebbe creato anche un n eutrino.

Sarebbero reazioni ad innesco termico che sono esotermiche - il terrore di ogni ingegnere chimico. Lui chiama questo situazione di instabilità e esplosione.

Per uno strano equilibrio mai descritto in dettaglio da nessuno, il sole brucerebbe in maniera stabile.

Le reazioni di fusioni termonucleari, che dalla gigante rossa in poi sono ben note e corrispondono ai calcoli teorici della reattività, sono tutte instabili, come è da aspettarsi da reazioni esotermiche a innesco termico. Le instabilità portano a oscillazioni di reattività (cefeidi) o a esplosioni (nebulose planetarie). Allora perchè proprio il sole, che si basa su una reazione più esotermica delle stelle fuori dalla sequenza principale è stabile?

Un po di termodinamica non nuocerebbe nell'astrofisica.

La reazione tra due protoni, che porta al deuterio non è mai stata osservata sulla terra e non sarà mai osservata. Il dettaglio del primo processo sarebbe che due protoni vengono in contatto tra di loro per effetto tunnel. Questa probabilità si calcola come finestra di Gamow per una determinata temeperatura (in questo caso 15 milioni di gradi). Durante il periodo di contatto uno dei due protoni deve trasformarsi in un neutrone. Ci vuole energia. Quest'energia non c'è. Quindi il neutrone deve legarsi con il protone. Questo processo produce energia (l'energia di legame del deuterone). Se i processi avvengono in maniera simultanea, il secondo processo, a cui avvanza energia, può fornire l'energia per il primo processo. Simultaneo vuol dire all'interno di una finestra di tempo corripondente alla incertezza di Heisenberg. L'eccesso di energia viene mandato via, sempre simultaneamente da un emissione gamma. Tutti questi processi sono inquadrabili matematicamente. Ma nessuno ha mai publicato questa matematica. Perchè?

Il motivo è che il risultato è lontano dal fornire la reattività del sole. Tutte le descrizioni quindi sono solo qualitive.

O c'è qualcuno che conosce il calcolo della reattività del sole basato su elementi ben noti della fisica nucleare? (teoria di Fermi per il decadimento beta, teoria di Gamow per il contatto tra i due nuclei, teoria delle emissioni elettromagnetiche per l'emissione gamma).

Non trovo giusto stabilire che mancano dei neutrini, finchè la natura della reazione è sconosciuta.

La mia ipotesi è che invece il sole può assibire antineutrini e trasformare protoni in neutroni. Per motivi di spettroscopia (virtuale) dei neutrini questa reazione sulla terra è impossibile, ma può succedere nel sole.
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Elmar GFN
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Vecchio 03-09-07, 15:50   #3
sumer
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Predefinito Re: Neutrini solari

Ciao, elmar.
Non so se ti può essere d'aiuto, ma spulciando nella mia polverosa biblioteca mi sono venuti in mano due volumi "storici" sui processi nucleari delle stelle. E mi sembra che lì i conti che tu chiedi vengano fatti per bene.
Te li segnalo, ma certamente già li conosci molto bene:

M. Schwarzschild - Structure and evolution of the stars - Ed. Dover, 1965 (ma l'opera originale è del 1957).

V. Castellani e P. Giannone - Evoluzione stellare - Ed. Sistema, 1977.

Una domanda: dici che il modello del Sole non ti convince, ma cosa proponi in alternativa ai processi di fusione nucleare?
Spero non sia quell'assorbimento di antineutrini cui accenni al termine del tuo intervento (praticamente il processo inverso del decadimento del neutrone)...

Sumer

ps forse banale: non necessariamente le reazioni a innesco termico portano ipso facto a una esplosione. La chiave sta nel controllo delle reazioni.
__________________
Ad astra per aspera.
sumer non in linea   Rispondi citando
Vecchio 03-09-07, 17:06   #4
Mizarino
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Predefinito Re: Neutrini solari

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elmar Visualizza il messaggio
per me tutta la teoria su come funziona il sole è inconsistente.
La reazione di trasformazione dell'idrogeno in elio inizia con una fusione H1 + H1 + e-= D2 oppure H1 + H1 = D2 + e+. In ciascuna delle due reazioni verrebbe creato anche un n eutrino.
Sarebbero reazioni ad innesco termico che sono esotermiche - il terrore di ogni ingegnere chimico. Lui chiama questo situazione di instabilità e esplosione.
Mmm...
Se ho capito bene il nocciolo del problema sarebbe questo: "Come mai, visto che siamo nelle condizioni di una reazione esplosiva, il Sole non esplode ? "
Premesso che io di fisica nucleare ne so appena poco di più di quanto ne sa Totti di greco antico, avrei alcune considerazioni da fare.
La potenza totale emessa dal Sole è circa 3.7*10^23 kW.
Visto che il Sole pesa circa 2*10^30 kg, abbiamo una potenza specifica (per unità di massa) di circa 1.9*10^-4 W/kg ... una potenza specifica ridicolmente bassa! Un ghiro in ibernazione emette più calore (per kg di peso corporeo) !...
Evidentemente, anche considerando che la massa del nocciolo del Sole, dove avviene la fusione, è solo una frazione della massa totale, non siamo nelle condizioni di una reazione esplosiva.
Come mai non lo siamo ? Perché (come ha giustamente rilevato Sumer) una reazione esotermica ad innesco termico non è necessariamente esplosiva. Se il calore prodotto per unità di massa viene smaltito abbastanza rapidamente, la velocità della reazione rimane costante.
Evidentemente, anche in quelle condizioni di temperatura, solo una frazione infinitesimale dei protoni presenti riesce a fondersi (forse c'entra un effetto tunnel ?), e vi è tutto il tempo di smaltire il calore verso l'esterno, così che la temperatura non salga ulteriormente.


Poi, se il conto dei neutrini torni oppure no, e sul come far quadrare il tutto in un modello teorico quantitativo , io passo ...

Ciao
Mizarino non in linea   Rispondi citando
Vecchio 03-09-07, 19:22   #5
elmar
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Predefinito Re: Neutrini solari

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Ciao, elmar.
Non so se ti può essere d'aiuto, ma spulciando nella mia polverosa biblioteca mi sono venuti in mano due volumi "storici" sui processi nucleari delle stelle. E mi sembra che lì i conti che tu chiedi vengano fatti per bene.
Te li segnalo, ma certamente già li conosci molto bene:

M. Schwarzschild - Structure and evolution of the stars - Ed. Dover, 1965 (ma l'opera originale è del 1957).

V. Castellani e P. Giannone - Evoluzione stellare - Ed. Sistema, 1977.

Una domanda: dici che il modello del Sole non ti convince, ma cosa proponi in alternativa ai processi di fusione nucleare?
Spero non sia quell'assorbimento di antineutrini cui accenni al termine del tuo intervento (praticamente il processo inverso del decadimento del neutrone)...

Sumer

ps forse banale: non necessariamente le reazioni a innesco termico portano ipso facto a una esplosione. La chiave sta nel controllo delle reazioni.
ciao Sumer,
non conosco i libri che hai citato. Ma se in questi libri c' la spiegazione quantitativa della reazione di fusione p-p, mi piacerebbe avere delle fotocopie. Finora mi è successo già più volte che la spiegazione annunciata poi non c'era. Ma io ho un libro di fisica che all'inizio del capitolo "sole" dice: non preoccupatevi il sole funziona lo stesso.

La chiave sta nel controllo della reazione. In chimica si gestiscono reazioni esotermiche con innesco termico. Il controllo avviene nel fare mancare una sostanza partecipante alla reazione (esempio: l'ossigeno al fuoco). Ma nel sole non c'è nessuno che fa mancare qualcosa. Le reazioni a innesco termico o si spengono o si innescono (run-away). Non c'è equilibrio. L'equilibrio verrebbe creato se con l'alzamento della temperatura subentrasse un meccanismo di inibizione.


Nelle giganti rosse l'equilibrio nella reazione di fusione di tre nuclei di elio che formano un nucleo di carbonio c'è quasi. Il motivo sta nella sensibilità della reazione alla densità. quindi non dipende solo dalla temperatura.

Mi spiego: Due nuclei di elio formano un nucleo di berillio 8. Questo nucleo decade in circa dieci alla meno diciasette secondi in due nuclei di elio. Se nel corso della sua vita abbastanza breve (che dal punto di vista nucleare non è poi tanto breve. tanto breve vorebbe dire dieci alla meno ventuno secondi) viene colpito da un terzo nucleo di elio quattro, può nascere un carbonio 12. La reazione è esoterma. Più si innesca più diventa caldo e più si innesca e via così. C'è un limite: L'alzamento della temperatura crea un'aumento della pressione. Questa fa crescere la stella. La densità diminuisce. Il tempo di volo delle particelle tra gli urti diventa più lungo. Il terzo nucleo di elio non arriva in tempo utile prima del decadimento del berillio 8. Il processo quindi si ferma.

Se non cì fosse la brevità della vita del berillio 8, il meccanismo di inibizione non ci sarebbe. La stella esploderebbe invece di entrare in pulsazioni.

Nel sole non c'è alcun meccanismo di inibizione di questo tipo. Allora perchè non esplode?


Per la reazione p - p. Non c'è alcun dubbio che dalla fusione di quattro protoni nasce un nucleo di elio. con un esotermia enorme (circa 25 MeV). La questione è solo il dettaglio, il percorso.

per la questione se antineutrini possono causare la reazione, occorre qualche considerazione sulla reattività dei neutrini. Perchè sulla terra non reagiscono? Perchè i protoni sulla terra non si possono trasformare in neutroni tramite la cattura simultanea di un anitneutrino e un elettrone?

E' semplice: L'idrogeno sulla terra è legato a elettroni. Questi elettroni hanno un'energia estremamente ben definita, sono legati in condizioni stabili. L'antineutrino dovrebbe avere il complemento dell'energia (serve un totale di 780 keV). L'incertezza dell'energia dipende unicamente dalla vita del neutrone che nascerebbe, che è molto lungevo (13 minuti - dal punto di vista nucelare un'eternità). Gli antineutrini con l'energia giusta quindi sono una quantità estrememente esigua. Però c'è di peggio: gli antineutrini con l'energia giusta mancano nelle spettro delgi antineutrini che arrivano (da supernovae, nella seconda fase, dopo il collasso). Mancano perchè hanno attraversato migliaia di anni luce di nubi di idrogeno. Hanno traversato gli strati esterni, freddi della stella in cui sono nati. Lì hanno trasformato protoni in neutroni. Questi poi sono ricaduti e divenati protoni di nuovo, con l'emissione di un antineutrino, perà con spettro energetico largo.

Con questa spiegazione si chiarisce perchè sulla terra gli antineutrini non reagiscono, non c'è neanche uno con l'energia giusta. Questa spiegazione non vale per l'interno del sole. Gli elettroni non sono legati, ma hanno uno spettro energetico termico corrispondenti a 15 milioni di gradi. L'assorbimento di antineutrini diventa per almeno dieci ordini di grandezza più probabile. E gli antineutrini con l'energia giusta ci sono. Nessuno li ha filtrati via. Allora perchè è tanto assurdo pensare che la reazione potrebbe essere innescata da antineutrini? E' un dogma?

La questione della reattività degli antineutrini (e neutrini ovviamente) è simile alla questione della reattività di raggi gamma o X con nuclei. In prima approssimazione non reagiscono. (i raggi X usati in medicina non vengono minimamente assorbiti da nuclei. Per i raggi gamma la condizione per farli assorbire da nuclei sono state travate, effetto Moessbauer, premio Nobel 61. Si stanno studiando esperimenti simili (cioè esperimenti Moessbauer) con neutrini, cioè assorbimento in condizione di risonanza.
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Elmar GFN
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Vecchio 03-09-07, 19:30   #6
elmar
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Predefinito Re: Neutrini solari

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Mmm...
Se ho capito bene il nocciolo del problema sarebbe questo: "Come mai, visto che siamo nelle condizioni di una reazione esplosiva, il Sole non esplode ? "
Premesso che io di fisica nucleare ne so appena poco di più di quanto ne sa Totti di greco antico, avrei alcune considerazioni da fare.
La potenza totale emessa dal Sole è circa 3.7*10^23 kW.
Visto che il Sole pesa circa 2*10^30 kg, abbiamo una potenza specifica (per unità di massa) di circa 1.9*10^-4 W/kg ... una potenza specifica ridicolmente bassa! Un ghiro in ibernazione emette più calore (per kg di peso corporeo) !...
Evidentemente, anche considerando che la massa del nocciolo del Sole, dove avviene la fusione, è solo una frazione della massa totale, non siamo nelle condizioni di una reazione esplosiva.
Come mai non lo siamo ? Perché (come ha giustamente rilevato Sumer) una reazione esotermica ad innesco termico non è necessariamente esplosiva. Se il calore prodotto per unità di massa viene smaltito abbastanza rapidamente, la velocità della reazione rimane costante.
Evidentemente, anche in quelle condizioni di temperatura, solo una frazione infinitesimale dei protoni presenti riesce a fondersi (forse c'entra un effetto tunnel ?), e vi è tutto il tempo di smaltire il calore verso l'esterno, così che la temperatura non salga ulteriormente.


Poi, se il conto dei neutrini torni oppure no, e sul come far quadrare il tutto in un modello teorico quantitativo , io passo ...

Ciao
Se la reazione esoterma non va avvanti perchè le perdite superano l'energia prodotta, allora la reazione si ferma. Non va avanti in maniera costante. Non nasce alcun equilibrio stabile. In chimica non si consoce alcun caso. Ma è teoricamente impossibile.

L'effetto tunnel c'entra. In tutto il sole non ci sono due protoni che hanno abbastanza energia da toccarsi. L'effetto combinato della distribuzione termica delle energie con l'effetto tunnel viene descitto dalla finestra di Gamow. Questo modo di calcolare le reattività ha perfettamente funzionato per calcolare la reazione T - D, cioè la bomba termonucleare, ma fallisce a calcolare la reattività del sole.
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Vecchio 04-09-07, 06:41   #7
Mizarino
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Predefinito Re: Neutrini solari

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Se la reazione esoterma non va avvanti perchè le perdite superano l'energia prodotta, allora la reazione si ferma. Non va avanti in maniera costante. Non nasce alcun equilibrio stabile. In chimica non si consoce alcun caso. Ma è teoricamente impossibile.
Mmm... Non è così se esiste un meccanismo di controllo che fa risalire la temperatura se la reazione rallenta. Nel Sole il meccanismo c'è ed è la contrazione gravitazionale.
Mizarino non in linea   Rispondi citando
Vecchio 04-09-07, 08:38   #8
sumer
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Predefinito Re: Neutrini solari

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...non conosco i libri che hai citato... mi piacerebbe avere delle fotocopie...
Davvero complicato fartele avere (anche per questioni di Copyright)...
Comunque sono dei "classici" dell'astrofisica e nelle biblioteche universitarie dovrebbero esserci. Non so se a Verona li puoi trovare, ma a Padova (Istituto di Astronomia) dovrebbero sicuramente esserci.
Ciao.
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sumer non in linea   Rispondi citando
Vecchio 04-09-07, 11:31   #9
elmar
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Predefinito Re: Neutrini solari

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Mmm... Non è così se esiste un meccanismo di controllo che fa risalire la temperatura se la reazione rallenta. Nel Sole il meccanismo c'è ed è la contrazione gravitazionale.

non ho capito come c'entra la contrazione gravitazionale. La stella si contrae finchè la pressione termodinamica non supera la pressione gravitazionale. Però quando la temperatura sale a livello da innescare la reazione, si libera l'energia di reazione. La temperatura si alza ulteriormente e la stella si espande. Ma con questa espansione la temperatura non scende sotto il livello di innesco. La temperatura resta sopra questo livello e la reazione si intensifica per l'effetto dell'aumento della temperatura.

Il meccanismo di rallentamento lo vedo solo nelle giganti rosse per la particolarità della reazione 3 alfa = C12.
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Elmar GFN
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Vecchio 04-09-07, 13:56   #10
Marius1936
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Predefinito Re: Neutrini solari

[Mmm... Non è così se esiste un meccanismo di controllo che fa risalire la temperatura se la reazione rallenta. Nel Sole il meccanismo c'è ed è la contrazione gravitazionale.]

Occhio che la gravitazione è una "brutta bestia"
Marius1936 non in linea   Rispondi citando
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