Neutrini
Problema dei neutrini solari
Come è noto a tutti e ormai universalmente accettato, i meccanismi di produzione di energia sul sole sono accreditati a quei processi che vanno sotto il nome di Nucleosintesi stellare.
Il nostro Sole, in particolare, “.. fa piovere su ogni cm2 della Terra circa 60 · 10 9 νe (neutrini elettronici, n.d.a.) al secondo, prodotti dalle reazioni termonucleari che avvengono nel suo nocciolo. In tali reazioni, quattro protoni si fondono dando origine ad un nucleo di elio, con rilascio di circa 26 MeV di energia.
La sequenza di reazioni termonucleari si articola in due cicli: quello del protone-protone (pp) che rappresenta il 98% dell’intera catena e quello del Carbonio-Ossigeno-Carbonio (CNO), che incide nel Sole per poco meno del 2%. 
Il ciclo pp produce νe in quattro tipi di reazione: pp, 7Be, pep, 8B, oltre alla reazione hep, che però da un contributo molto piccolo.
“..” Il funzionamento del Sole è descritto dal cosiddetto Modello Solare Standard (SSM) [19], il cui padre John N. Bahcall ne iniziò l’elaborazione negli anni ‘60 e ci lavorò, migliorandolo e raffinandolo, fino alla sua morte, avvenuta due anni fa. In tale modello i vari meccanismi riguardanti: le reazioni nucleari, la propagazione dell’energia e delle radiazioni vengono simulati in funzione di un certo numero di parametri; i constraints sperimentali sono pochi: la massa del Sole, la sua luminosità, la composizione in nuclei pesanti alla sua superficie come desunta dalle analisi spettroscopiche e l’eliosismologia. Il MSS predice fra l’altro i flussi dei neutrini emessi dal Sole. I primi esperimenti che hanno fatto ipotizzare il fenomeno dell’oscillazione del neutrino furono esperimenti di disappearance, cioè esperimenti nei quali si sono misurati i flussi di νe, trovando dei valori decisamente inferiori a quelli previsti dal MSS.” [18] [20]
Il problema dei neutrini solari, stà nel fatto che il numero di neutrini prodotti dal Sole non è coerente con il numero previsto dal Modello Standard,[20] e tale discrepanza sembra essere imputata esclusivamente alla oscillazione dei sapori del neutrino: “Per il fenomeno dell’oscillazione, ipotizzato da Bruno Pontecorvo negli anni ‘50, un neutrino di un determinato sapore, ad esempio il νe , viaggiando nel vuoto o nella materia, si trasforma in un neutrino di un altro sapore, ad esempio il νμ. Infatti i neutrini che riveliamo, aventi un determinato sapore, non sono i veri autostati del neutrino, ma sono una composizione di autostati di massa. Così ad esempio il νe è un osservabile ottenuto dalla sovrapposizione di due neutrini originali, che corrispondono a due stati di massa diversi, chiamiamoli neutrino 1 e neutrino 2. Analogamente si può dire del νμ che risulta essere una sovrapposizione degli stessi stati di massa, 1 e 2, ma con pesi diversi. Se durante il cammino del neutrino dalla sorgente al punto di osservazione, ad esempio dal Sole alla Terra, oppure attraversando la materia solare, le percentuali degli stati 1 e 2 cambiano, avviene che nel flusso di νe , prodotti dal Sole, compaiano dei νμ. Così come ci sono tre stati di sapore del neutrino, ci sono tre autostati di massa, m1 , m2 , m3. Il fenomeno dell’oscillazione del neutrino può aver luogo sia mentre esso viaggia nel vuoto, a causa della diversità delle masse dei suoi autostati, sia durante l’attraversamento della materia; in questo secondo caso gioca un ruolo importante l’interazione con gli elettroni del mezzo, che per il νe può essere sia di corrente carica che di corrente neutra, mentre per gli altri due tipi di neutrini è esclusivamente di corrente neutra.”[18]
Secondo Boscoli, invece, la discrepanza fra il conteggio dei neutrini e la quantità prevista, dovrebbe essere messa in relazione alla costituzione stessa delle reazioni nucleari che avvengono nel nostro Sole, che nel nostro caso sarebbero quelle del Ciclo Sequenziale di cui Boscoli parla nella sua “Nota“.[2]
Partendo dalla ipotesi che siano corrette le reazioni di fusione nucleare proposte da Boscoli, la prima cosa da fare è calcolare il flusso di neutrini che dovremo aspettarci da questa serie di reazioni, e poiché questo è un lavoro da Fisici Nucleari, dovrò come al solito porre a loro le domande alle quali vorrei dare una risposta: Quali sono, nel ciclo sequenziale , le reazioni che generano νe? come si fa a stimare quanti neutrini, e in quali bande energetiche, sarebbero prodotti da tali reazioni nel nostro ipotetico Sole?
Nell’articolo The Limits of the Standard SolarModel,[20] viene fatto il calcolo dei neutrini per il MSS. Come al solito aspetto fiducioso che qualcuno si faccia sentire e dia il suo contributo!
Torna alla pagina: L’inizio.
Fusione nucleare indotta dal collasso gravitazionale
Vediamo, direttamente dalla nota di Boscoli, quale dovrebbe essere il meccanismo che porta alla fusione per collasso gravitazionale:[7]
“La prima (e la sola) reazione, d’altra parte, che credo possibile ad una temperatura vicina allo zero assoluto all’interno del nucleo solare (nocciolo) è quella che può accadere a spese di un a atomo neutro di idrogeno, per collasso gravitazionale. Ma i protoni e gli elettroni di un atomo di idrogeno neutro non sono sufficienti per ottenere un neutrone. Sono necessari anche i neutrini, e ce né una tale abbondanza nell’universo che saranno sempre disponibili.
Noi conosciamo abbastanza bene il processo di decadimento del neutrone; che indichiamo usualmente così:
(2) n → p+ + e– + ν (+ 0.783 MeV)
Un neutrone libero si disintegra alla fine della sua vita, emettendo un protone un elettrone un antineutrino e 0.783 MeV di energia. ”…“ La vera reazione inversa della (2) è invece questa:
(4) p+ + e– + ν → n (- 0.783 MeV)
Che è una reazione endoenergetica , la quale, tradotta dice semplicemente che nel collasso gravitazionale di un protone e di un elettrone, un antineutrino è catturato, un neutrone è prodotto e una quantità di energia uguale a 0.783 Mev è assorbita.
Sono sicuro che questa reazione non piacerà alla maggioranza dei fisici perché troppo semplicistica o perché essa pone molti altri interrogativi, come quello della sintesi del neutrone, il quale peraltro è erroneamente considerato una particella elementare.”…”Questa asserzione è esatta fino ad un certo punto, ma a me sembra più corretto sostituire il termine neutrone con neutrino (come particella elementare n.d.a)
E’ vero infatti che il neutrone, dopo il collasso gravitazionale, diventa stabile solo nel momento in cui viene posto all’interno di un nucleo insieme ad un protone, e in queste condizioni esso agisce come le altre particelle; ma d’altra parte, è vero che i neutroni libero, se non catturati, decadono molto rapidamente.”….”Sono interessato a enfatizzare il fatto, apparentemente inspiegabile, che il neutrone pesa molto di più della somma del protone e dell’elettrone. Da dove proviene questo eccesso di massa? Non dal neutrino, la cui massa, ammettendo che ne abbia una, sembra essere trascurabile. D’altra parte, se vogliamo derivare questo eccesso di massa dalla trasformazione di energia in materia, il problema diventa concentrare l’attenzione sulla natura dell’energia assorbita. E quando noi ci troviamo a confrontarci con il fenomeno in gioco, quello del collasso gravitazionale, il quale sembra avvenire senza il concorso di radiazione elettromagnetica, la scelta cade necessariamente sulla gravità, non più considerata come forza ma come energia.”….”A questo punto, prima di vedere le altre reazioni – le quali si sviluppano dopo la fusione gravitazionale dell’idrogeno in neutrone (che io credo avvenga in parte nel centro del nocciolo e in parte nella fotosfera e nella zone termiche sottostanti) – è necessario fare alcune osservazioni preliminari. Abbiamo visto –nella reazione (4) – che durante questa trasformazione, un eccesso di massa si materializza –trasformazione che credo possa essere ascritta solo alla gravità, vista “…” come energia.
Sebbene sia difficile immaginare cosa accade ad un atomo di idrogeno al momento che esso implode in qualcosa che è un centinaio di migliaia di volte più piccolo- il cosiddetto neutrone- non mi sembra eccessivamente azzardata la visualizzazione del fenomeno come una improvvisa emissione di onde gravitazionali assorbite istantaneamente nella formazione del complesso protone-elettrone-neutrino. L’assorbimento di queste onde, delle quali non possiamo ignorare la natura corpuscolare gravitazionale, deve bilanciare l’eccesso di massa del neutrone.
Inoltre, l’aspetto più interessante di questa sintesi di neutroni riguarda la temperatura di questi nello stato nascente. I fisici che studiano i fasci di neutroni liberi, “..” amano considerano questi neutroni come un flusso di gas, e per convenzione usano frasi come gas di neutroni e neutroni termici; in relazione alla diminuzione di energia ad essi associata, essi parlano di neutroni freddi, molto freddi e ultra freddi ”….” Ma mentre i neutroni prodotti da fissione sono emessi nel nocciolo di un reattore nucleare con una energia iniziale di milioni di elettronvolt “… “ i neutroni prodotti nel nocciolo solare si comportano in maniera completamente diversa.
Sono formati, infatti a costo zero di energia (<10-7 eV) e quindi ultrafreddi, neutroni solari non solo incrementano la propria energia nel modo che presto chiariremo, ma, a causa della loro bassa velocità, sono in una condizione ideale per reagire con l’idrogeno nell’immediata vicinanza della zona di collasso. La prima probabile reazione, quindi, penso sia la seguente:
(5) 11H + 10n → 21D + γ (+ 2.224 MeV)
Alla quale potrebbe seguire l’altra:
(6) 21D + 10n → 31T + γ (+ 6.239 MeV)
Ma evidentemente non tutti i neutroni possono sottostare alle due catture indicate sopra. Molti di questi nel loro viaggio attraverso atomi di idrogeno neutri, raggiungeranno la fine della loro esistenza prima di essere stati in grado di reagire con qualcuno dei nuclei intorno ad essi. In questi casi, a causa del decadimento beta, (2), essi potranno generare protoni elettroni e neutrini in una peculiare condizione reattiva poichè tutti allo stato nascente
I protoni, in questo modo specifico, possono originarsi in prossimità di nuclei di Trizio con i quali possono immediatamente reagire in accordo con la:
(7) 31T + 11p → 32He + 10n (- 0.765 MeV)
Oppure , immediatamente, in accordo con:
(8) 31T + 11p → 42He (+ 19.824 MeV)
L’Elio-3 può poi assorbire un neutrone per diventare Elio-4 liberand in tal modo energia in accordo con la reazione:
(9) 32He + 10n → 42He (+ 20.589 MeV)
Oltre alle reazioni di nucleosintesi già viste, che sono in salita, praticamente tutte caratterizzate da una emissione di energia elettromagnetica (raggi gamma), noi dobbiamo considerare una reazione che io definisco essere in discesa, che è la disintegrazione nucleare, la quale rappresenta la fotodisintegrazione del deuterio dovuta all’effetto della radiazione liberata nelle altre reazioni:
(10) γrad. + 21D → 10n + 11p (-2.224 MeV)
Questa reazione estremamente importante è l’inverso della (5) e, quando avviene, produce l’effetto di prolungare virtualmente, nel tempo e nello spazio, il tempo di vita del neutrone libero, rigenerandolo, per esempio, più esternamente, dentro o fra le zone termiche, o fra esse e la fotosfera, o nella fotosfera stessa o anche nella corona solare. Identico effetto è ottenuto con la reazione (7). “…” Per quanto riguarda la velocità e l’energia dei neutroni, in relazione alla densità del gas di neutroni (definita come il numero medio di neutroni per unità di volume), è evidente che – durante la loro esistenza come neutroni liberi – essi si scaldano progressivamente: Sia a causa delle reazioni nelle quali sono coinvolti, o per l’effetto ambientale delle zone termiche attraversate nel loro viaggio dal nocciolo che li ha prodotti, spinti dal vento solare verso la fotosfera nella quale, per la maggior parte, essi completano la loro missione.
Inoltre, è evidente che se le razioni (7) e (10) non intervenissero – le quali, come abbiamo visto, prolungano virtualmente la vita dei neutroni – questi stessi neutroni prodotti dal nocciolo non avrebbero alcuna possibilità di raggiungere illesi la fotosfera, ne arriverebbero con energia sufficiente – anche se, durante un viaggio uguale al raggio solare, essi non collidessero con nessuna altro nucleo. Oltre a questo, deve essere notato che le quantità di energia elettromagnetica raggiunte ( mediante emissione/trasmissione/assorbimento ) sono notevolmente importanti nel determinare la direzione e lo sviluppo delle reazioni che ho indicato. In fatti, mentre le reazioni (5), (6), (7), (8) e (9) sono tutte reazioni di fusione, la reazione (10) -che è l’inverso della fotodisintegrazione del Deuterio – è ,come è stato notato, possibile solo se e quando la radiazione gamma che agisce possiede una energia superiore a quella di legame del deutone.
“Per riassumere e per fare un bilancio energetico anche approssimativo delle reazioni solari che ho poco sopra elencate e ritenute possibili, presento il seguente schema di ciclo sequenziale:[2]
Eliminando fra queste nove equazioni i termini comuni a sinistra e a destra del segno -> si ottiene l’espressione semplificata:
(A) 5p+ + 3e– → 4He + n (+ 25,939 MeV)
Procedendo analogamente per il ciclo di Bethe e per la catena p-p , si ottiene invece:
(B) 4p+ → 4He + 2e+ (+ 24,678 MeV)
espressione che ignora completamente l’importante funzione dell’elettrone e che quadra soltanto ricorrendo all’artificio del positrone…”
Questo è quanto affermato da Boscoli nella sua nota [7]. La domanda che sorge spontanea è la seguente: E plausibile che le reazioni descritte possano avvenire nelle condizioni indicate di temperatura, pressione ecc.?
In attesa che qualcuno intervenga sull’argomento vi invito a leggere il capitolo che riguarda l’esperimento di Enrico Fermi.
Torna alla pagina: L’inizio.
Freddo come il Sole 