Il rilevatore di particelle da 770 tonnellate nella foto sopra, chiamato ProtoDUNE, si trova al confine tra Svizzera e Francia.
I fisici escogitano un sistema di calibrazione laser per comprendere meglio i segnali provenienti dallo sfuggente neutrino, aiutando la ricerca per svelare i segreti del neutrino sull'universo
Rilevate per la prima volta dai ricercatori di Los Alamos Frederick Reines e Clyde Cowan in un reattore nucleare nel 1956, minuscole particelle soprannominate neutrini sono così abbondanti che attraversano costantemente i corpi umani a trilioni. Ma nonostante decenni di studi, la bizzarra natura del neutrino è ancora poco compresa. Gli scienziati del Los Alamos National Laboratory stanno cercando di porre rimedio a questo problema.
Mentre i dati provengono da due rilevatori di particelle in un prototipo di esperimento in Svizzera, i fisici di Los Alamos stanno perfezionando i loro strumenti, che si trovano sopra i rilevatori. Il loro sistema di calibrazione laser aiuterà i ricercatori a comprendere meglio i segnali provenienti dallo sfuggente neutrino, aiutando la ricerca per svelare i segreti del neutrino sull'universo.
I rivelatori prototipo, situati presso il Centro europeo per la ricerca nucleare (CERN), apriranno la strada a un esperimento, con sede negli Stati Uniti, di scala senza precedenti chiamato Deep Underground Neutrino Experiment, che è in costruzione. Con un rilevatore nel South Dakota e un altro nell'Illinois, DUNE mira a lanciare il raggio di neutrini più intenso al mondo. The Lab è un attore chiave con oltre 1.400 collaboratori internazionali.
«Costruire enormi esperimenti nelle profondità sotterranee - immagina di costruire una nave in una bottiglia - è allo stesso tempo emozionante e stimolante, e c'è un senso di avventura in quello che facciamo», ha detto il fisico Sowjanya Gollapinni (1).
Gollapinni sta guidando la calibrazione e la strumentazione criogenica per DUNE nel suo ruolo di leader tecnico del progetto. È anche coordinatrice scientifica statunitense per la seconda fase di costruzione di DUNE.
Farlo bene, su piccola scala
Progettare una trappola per neutrini migliore è impegnativo perché questa particella subatomica raramente interagisce con la materia, non mostra carica elettrica ed è quasi priva di peso. Ecco perché prima che il vero esperimento abbia luogo negli Stati Uniti, i due rilevatori in scala ridotta in Europa, chiamati ProtoDUNE, stanno testando le tecnologie in fase di sviluppo.
Strumenti di calibrazione laser progettati e costruiti a Los Alamos in collaborazione con il Laboratorio di Strumentazione e Fisica Sperimentale delle Particelle (LIP) in Portogallo sono stati installati sull'esperimento alla fine di gennaio e il team di Gollapinni è impegnato a convalidare le loro prestazioni.
«Siamo principalmente coinvolti nello sviluppo di strumenti di calibrazione necessari per estrarre segnali di carica e luce nei rivelatori con una precisa risoluzione spaziale ed energetica. Utilizziamo tecniche innovative che coinvolgono laser ultravioletti di classe IV e radiazioni di neutroni per sviluppare questi sistemi e convalidare i progetti nell'Esperimento ProtoDUNE al CERN», ha detto la dottoressa Gollapinni.
Un liquido estremamente freddo potrebbe essere la chiave per ottenere dati migliori
L'argon liquido è un liquido criogenico con un punto di ebollizione di -303 gradi Fahrenheit o -186 gradi Celsius. Si tratta di un mezzo relativamente nuovo per questa ricerca sulla fisica delle alte energie, e la speranza è che questo ambiente estremamente freddo consentirà misurazioni più precise quando gli sperimentali di DUNE studieranno come i neutrini trasformano la loro identità.
Recentemente, il primo rilevatore ProtoDUNE è stato riempito con argon liquido, operazione che ha richiesto quasi due mesi perché la vasta camera è alta circa tre piani. «Quando un neutrino interagisce con l'argon, produce particelle cariche che ionizzano gli atomi, consentendo agli scienziati di rilevare e studiare le interazioni dei neutrini», secondo un recente rapporto del CERN (2).
«Ma l'argon è formato anche da 40 nucleoni (22 neutroni e 18 protoni), il che presenta un ambiente complicato per la fisica nucleare», racconta Gollapinni. «Collaboriamo attivamente con i teorici del LANL per ottenere input sulla fisica nucleare che avviene all'interno del nucleo di argon e collegarli alle nostre indagini sperimentali».
I neutrini possono spiegare perché l’universo è fatto di materia – stelle, galassie, atomi e vita – e perché la maggior parte dell’antimateria è scomparsa dopo il Big Bang? Questa è una domanda che DUNE vuole esplorare.
Il team di Los Alamos analizzerà le interazioni delle particelle con il nucleo di argon in ProtoDUNE per scoprire come particelle come neutroni e protoni si propagano nell'argon liquido. «Queste misurazioni di dispersione forniscono input chiave per le analisi volte ad affrontare il puzzle dell'asimmetria materia-antimateria in DUNE», ha affermato Gollapinni.
Il team di Los Alamos DUNE comprende anche il ricercatore post-dottorato David Rivera; gli ingegneri Eric Renner, Jan Boissevain, Walter Sondheim e Adam Martinez (3); e gli studenti Leon Tong e Daniel Xing.
Gli studi sui neutrini tendono ad essere legati a questioni scientifiche fondamentali, ma potrebbero avere anche implicazioni scientifiche sulla sicurezza nazionale.
«Come utilizzare i progressi nel rilevamento dei neutrini per la sicurezza nucleare, in particolare la non proliferazione e il controllo degli armamenti, è un'area di ricerca attiva che si trova all'interfaccia tra le scienze fondamentali e quelle applicate», spiega Gollapinni. «Il collegamento deriva dal fatto che i reattori nucleari, che sono fonti di fissione, producono neutrini in grandi quantità attraverso un processo chiamato decadimento beta nucleare che avviene all'interno del nucleo atomico».
Tante domande, tanti esperimenti
Aspettare di catturare un neutrino è un'impresa scrupolosa. Esistono molti esperimenti e approcci diversi nel tentativo di rispondere a domande su queste particelle, che possono trasformarsi in diverse varietà.
Gli esperimenti sui prototipi al CERN si svolgono solo in determinati periodi dell'anno. Gollapinni raccoglierà i dati dalla prossima corsa di ProtoDUNE quest'estate. Analizzerà anche i dati di altri esperimenti con argon liquido, come MicroBooNE e Short-Baseline Near Detector presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) vicino a Chicago.
«A MicroBooNE e SBND, io e il mio team ci concentriamo su misurazioni che esplorano la questione del neutrino sterile - in altre parole, esiste un nuovo tipo di neutrino? Ci concentriamo anche sui processi fisici in cui i neutrini fungono da portale per il settore oscuro (un mix di materia oscura ed energia oscura) che costituisce il 95% del contenuto totale di massa-energia nell'universo», ha affermato Gollapinni.
Il team della dottoressa Gollapinni mentre lavora su MicroBooNE e SBND comprende il postdoc Mark Ross-Lonergan, gli studenti Tong e Xing e lo studente universitario Kevin Tanner.
Uno dei rilevatori di DUNE sarà situato al Fermilab, il luogo in cui Gollapinni ha trovato l'ispirazione per la sua carriera.
«Ho imparato come i neutrini possano essere incredibili sonde per esplorare molti fenomeni inspiegabili nell'universo, e ho pensato che le più grandi scoperte durante la mia carriera sarebbero arrivate dalla fisica dei neutrini. Quindi, sono passata al campo dei neutrini come postdoc», ha detto la scienziata. «È stata la decisione migliore della mia vita e mi piace moltissimo il lavoro che svolgo».
Nel 2022, Gollapinni ha ricevuto il Distinguished Performance Award del Lab per i suoi risultati su DUNE e il programma Short-Baseline Neutrino.
5 punti salienti di un secolo di ricerca sui neutrini
I neutrini sono ovunque ma non ne vedrai mai uno. Ecco cosa devi sapere, secondo il DOE Office of Science, che sostiene esperimenti e strutture internazionali ospitate negli Stati Uniti dedicate alla comprensione di questi elementi costitutivi della materia.
- I neutrini sono le particelle dotate di massa più abbondanti nell’universo, eppure nessuno è stato in grado di misurare con precisione la loro massa perché i neutrini sono così leggeri e difficili da studiare.
- I neutrini sono ovunque. Ogni volta che i nuclei atomici si uniscono (come nel Sole) o si separano (come in un reattore nucleare), producono neutrini. Anche una banana emette neutrini: provengono dalla radioattività naturale del potassio presente nel frutto. Una volta prodotte, queste particelle spettrali non interagiscono quasi mai con altra materia.
- Decine di trilioni di neutrini provenienti dal sole fluiscono attraverso il tuo corpo ogni secondo, ma non puoi sentirli.
- Finora sono stati scoperti tre tipi di neutrini: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico. I neutrini sterili sono particelle ipotetiche.
- I neutrini hanno il potenziale per risolvere profonde questioni scientifiche, incluso il modo in cui l’universo è nato e la sua composizione a livello elementare.
Scopri di più su queste particelle sfuggenti sui siti web del DOE Office of Science (4) e del Fermilab (5).
Riferimenti:
(2) ProtoDUNE's argon filling underway, a significant step toward next era of neutrino research
(3) Sowjanya Gollapinni, PhD / Team Members
(5) Fermilab
Descrizione foto: Il rilevatore di particelle da 770 tonnellate nella foto sopra, chiamato ProtoDUNE, si trova al confine tra Svizzera e Francia per testare il design e le tecnologie del Deep Underground Neutrino Experiment, o DUNE, che sarà costruito un miglio sotto terra nel Sud Dakota per comprendere meglio neutrini, una particella che è pervasiva nell'universo. - Credit: CERN.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Building a better neutrino trap