Piccole particelle per una megascienza

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Piccole particelle per una megascienza

Un progetto internazionale di mega-scienza

L’esperimento in profondità sul neutrino (Dune) è un esperimento internazionale per gli studi scientifici e sul decadimento del protone a neutrino. Scoperte nel corso dell’ultimo mezzo secolo hanno messo i neutrini, le particelle di materia più abbondante nell’universo, sotto i riflettori per ulteriori ricerche in diverse domande fondamentali sulla natura della materia e l’evoluzione dell’universo – domande sulle quali DUNE cercherà di rispondere.  DUNE si avvarrà di due rivelatori di neutrini collocati in un fascio di neutrini più intenso del mondo. Un rilevatore registrerà le interazioni delle particelle nei pressi della sorgente del fascio, al Fermi National Accelerator Laboratory di Batavia, Illinois. Un secondo rilevatore, molto più grande, sarà installato a più di un chilometro, sotterraneo, presso il Laboratorio di Ricerca della metropolitana Sanford il2brivelatore2bad2bargon2bliquido2bitaliano2bicarusa Lead, Dakota del Sud – cioè 1.300 chilometri più a valle della sorgente. Questi rivelatori permetteranno agli scienziati impegnati nella ricerca di nuovi fenomeni subatomici e potenzialmente a trasformare la nostra comprensione dei neutrini e il loro ruolo nell’Universo. Il lungo strumento Baseline Neutrino fornirà la linea di luce al neutrino e all’infrastruttura che supporterà i rivelatori DUNE.

Puntando alle scoperte innovative

Origine della materia.                                                                                                                      Potrebbero essere i neutrini, la ragione che l’universo è fatto di materia piuttosto che d’antimateria? Esplorando il fenomeno delle oscillazioni dei neutrini, DUNE cercherà di rivoluzionare la nostra comprensione dei neutrini e il loro ruolo nell’universo.                          Unificazione delle forze.                                                                                                                           Con il più grande rivelatore criogenico di particelle del mondo situato in profondità nel sottosuolo, DUNE può cercare anche i segni di decadimento del protone. Ciò potrebbe rivelare una relazione tra la stabilità della materia e la grande unificazione delle forze. Insomma ci si muove più vicino a realizzare il sogno di Einstein.                                                      Formazione di black hole (buco nero).                                                                                                        L’osservazione di DUNE di migliaia di neutrini originati dal crollo del nucleo di una supernova nella Via Lattea ci permetterebbe di scrutare all’interno di una stella di neutroni di nuova costituzione e, potenzialmente, assisteremo alla nascita di un buco nero.

Come funziona l’esperimento?                                                                                                                           Il progetto DUNE, acronimo per Deep Underground Neutrino Experiment, coprirà circa 1300 km sottoterra, dal Fermilab fuori Chicago fino alla Sanford Underground Research Facility, che si trova in una miniera sotterranea abbandonata del South Dakota. Lo scopo di DUNE è l’osservazione dell’elusivo neutrino, un elemento del modello standard della fisica che cambia costantemente forma, con massa minuscola e, grazie alla sua neutralità elettrica, interagisce a malapena con l’universo conosciuto (attraverso la forza debole).Potremmo trovarci sotto una cascata di neutrini senza saperlo.

E in un certo senso è così. È stato stimato che 65 miliardi di neutrini solari (neutrini originati all’interno del Sole) passano attraverso ogni centimetro quadrato della Terra rivolta verso il Sole. Diversamente dalla luce solare, che trasporta fotoni che interagiscono con i materiali nel nostro corpo per creare calore e luce, i neutrini non hanno niente a che fare con la luce e il calore, che riguardano la forza elettromagnetica. I neutrini passano attraverso le cose con assoluta noncuranza.

Questo fa sì che i neutrini siano molto difficili da osservare e molto complessi da capire. In effetti è impossibile osservare direttamente un neutrino (l’osservazione si basa sulle interazioni elettromagnetiche), quindi i fisici sono costretti ad affidarsi a lunghe distanze nella speranza di osservare indirettamente una delle particelle.

La teoria è che si verifichino rare interazioni tra neutrini, ma solo attraverso la forza debole, che è mediata attraverso particelle elementari conosciute come bosoni W e Z. Se uno di questi bosoni viene scambiato tra un neutrino e un elettrone il risultato dovrebbe essere il rilascio di una caratteristica radiazione chiamata radiazione Chrenkov. Utilizzando fotorilevatori super-sensibili, dovrebbe essere possibile osservare questo effetto, anche se con molta difficoltà.

Immagine: Fermilabaccelerator-complex-aerial-labled-512x288    La debolezza e la rarità di queste interazioni rendono necessaria la creazione di rilevatori di neutrini molto grandi e ben isolati dalla radiazione atmosferica e da raggi cosmici potenzialmente invadenti. Ecco perché gli esperimenti con i neutrini vengono svolti sotto terra; la struttura di Sanford si trova a circa 3 km di profondità. Quando sarà ultimato, DUNE avrà un rilevatore da molti chilotoni al centro di un lago di argon liquido. L’argon registrerà i neutrini in entrata creati a circa 1.300 km di distanza al Fermilab, e manderà le particelle in un denso raggio che contiene neutrini. A un certo punto questo raggio viaggerà a circa 28 km sotto la superficie del terreno.

Nel progetto ci sono due rilevatori: uno si trova al Fermilab, dove vengono prodotti i neutrini e il secondo si trova nella miniera in South Dakota. I motivi di un allestimento del genere sono vari, considerando che si ha a che fare con la strana capacità di oscillazione dei neutrini, o il cambiamento spontaneo in diversi tipi di neutrino, un processo che produce anche piccole variazioni nella massa, anche se la massa esatta dei neutrini è ancora una questione aperta, ed è proprio uno degli scopi di queste ricerche.

Con il progetto DUNE si spera di poter esplorare queste particelle, osservando come questi a 1.300 km di Terra attraversati dal raggio, abbiano impatto sulle oscillazioni delle diverse varietà di neutrino.

DUNE dovrebbe essere operativo entro il 2022 e adesso coinvolge 128 diverse istituzioni di 23 paesi diversi. L’esperimento è anche riuscito ad avere la benedizione (e i finanziamenti) del governo degli Stati Uniti.

“Questo sarà il più importante esperimento per la fisica delle particelle svolto in America,- ha detto a SymmetryKim Siegrist, direttore associato presso l’Office of Science del Department of Energy statunitense- è un momento importante per la scienza dei neutrini e per l’intera fisica delle particelle.”

 

 

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