I lavoratori hanno allestito un test ad alta tensione nel prototipo di rivelatore DUNE di argon liquido da 35 tonnellate. DUNE alla fine comporterà la direzione di un fascio di neutrini molto intenso verso grandi serbatoi di argon ultrapuro per indurre collisioni tra i neutrini e gli atomi di argon. Reidar Hahn/Fermilab La costruzione del prossimo grande esperimento americano di fisica delle particelle è iniziata quest'estate. L'esperimento del neutrino sotterraneo profondo, o DUNE, studierà alcune particelle subatomiche seriamente spettrali. L'esperimento sotterraneo comporterà l'emissione di un potente raggio di neutrini attraverso il mantello terrestre – raggiungendo una profondità massima di 30 miglia (48 chilometri) – e forse svelando alcuni dei più grandi misteri del nostro universo nel processo.
L'esperimento, gestito e finanziato da una collaborazione internazionale, si estenderà per 800 miglia (1, 300 chilometri), a partire dal Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) a Batavia, Illinois, e finisce per un miglio sottoterra sotto una miniera d'oro abbandonata a Piombo, Sud Dakota. Una volta completato, DUNE entrerà a far parte della Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), una struttura a doppio sito che inizierà al Fermilab in Illinois e terminerà al Sanford Underground Research Facility (SURF) nel South Dakota.
Mappa che traccia l'esperimento Deep Underground Neutrino Diana Brandonisio/Fermilab
Ottocento miglia (1, 287 chilometri) di roccia è irrilevante per i neutrini. Queste strane particelle subatomiche sono fermioni che hanno massa molto bassa e carica zero. Viaggiano a una velocità prossima a quella della luce (poiché sono le particelle di massa più bassa conosciute) e interagiscono in modo estremamente debole con la materia normale. Inondano il nostro universo e viaggiano attraverso ogni cosa sul loro cammino, se siamo noi o miglia di roccia.
Come fanno gli scienziati a sapere che esistono queste cose se sono così spettrali? È qui che entrano in gioco i rilevatori criogenici delle dimensioni di un edificio. DUNE manterrà due rilevatori sotterranei, uno sarà vicino alla sorgente del Fermilab (nota come il "rivelatore vicino"), e l'altro risiederà in un'enorme struttura a SURF (il "rivelatore lontano"). Dopo un upgrade alle strutture del Fermilab, il fascio di neutrini a più alta intensità mai prodotto al mondo sarà diretto attraverso il rivelatore vicino e si intersecherà con il rivelatore lontano, composto da quattro massicci, serbatoi di argon liquido raffreddati criogenicamente. Quanto è massiccio? Ogni carro armato sarà alto sei piani e lungo un campo da calcio, e conterrà 18, 739 tonnellate (17, 000 tonnellate) di argon liquido super raffreddato.
Che c'entra con l'argon? Bene, i neutrini interagiscono debolmente, ma lo fanno molto occasionalmente colpiscono direttamente i nuclei atomici contenuti nella materia. Così, puntando un fascio di neutrini molto intenso su serbatoi sufficientemente grandi di argon ultrapuro, una piccolissima proporzione delle particelle spettrali lo farà, per puro caso, colpire gli atomi di argon. Quando si verificano collisioni, rivelatori ultrasensibili all'interno dei serbatoi noteranno un lampo (noto come scintillazione) e quindi l'interazione può essere studiata. Ma poiché questi rilevatori sono così sensibili e le interazioni sono molto piccole, I rivelatori di neutrini sono generalmente sepolti in profondità nel sottosuolo per proteggerli dalle interferenze dei raggi cosmici e di altre radiazioni che potrebbero causare danni se fossero esposti in superficie.
Queste interazioni deboli potrebbero aprire i nostri occhi su una nuova fisica e aumenteranno la nostra comprensione di una delle particelle meno comprese nella fisica quantistica.
Questa foto è stata scattata durante la Neutrino Action Week del Fermilab. Gli scienziati si occupano di neutrini sin dagli anni '70. Jill Preston/Fermilab Gli scienziati amano i neutrini per molte ragioni. Eccone uno:forniscono un collegamento diretto tra noi e il nucleo del nostro sole. Durante i processi di fusione nucleare, vengono prodotti neutrini e fotoni ad alta energia. I fotoni vengono assorbiti quando entrano in collisione con il plasma solare denso e quindi riemessi a un'energia inferiore (un processo che si ripete fino a un milione di anni prima che l'energia dal nucleo solare venga finalmente emessa come luce che vediamo), ma i neutrini germoglieranno direttamente dal nucleo del sole, attraverso il plasma denso e raggiungere la Terra in una questione di minuti. Così, se i fisici vogliono conoscere l'ambiente di fusione al centro del nostro sole proprio adesso , si trasformeranno in neutrini solari.
Ma c'è una svolta misteriosa nei neutrini solari.
Come meglio sappiamo, i neutrini sono disponibili in tre "sapori":il neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tau – e le loro antiparticelle. Mentre i neutrini viaggiano, "oscillano" tra i tre sapori, come un camaleonte cambierebbe colore in risposta al colore dell'ambiente circostante.
Il sole è in grado di generare solo neutrini elettronici nel suo nucleo, però, così, quando i fisici hanno deciso di rilevare queste minuscole apparizioni utilizzando i primi rilevatori ultrasensibili negli anni '60, hanno rilevato molti meno neutrini di quanto previsto dalla teoria. Nel lavoro vincitore del premio Nobel, i fisici finalmente trovarono la ragione. Si scopre che i neutrini elettronici prodotti dalla fusione del sole oscillano naturalmente tra i sapori dei neutrini - elettrone, muone e tau. Poiché i rivelatori potevano osservare solo neutrini elettronici, i neutrini muonici e tau non sono stati rilevati. Non c'era una carenza anomala di neutrini elettronici solari:avevano semplicemente cambiato sapore quando avevano raggiunto il rivelatore.
Il che ci riporta a DUNE. Abbiamo bisogno di un esperimento controllato sulla Terra come DUNE per capire questi cambiamenti di sapore. Durante l'esperimento, il sapore dei neutrini prodotti dall'acceleratore di particelle del Fermilab sarà misurato non appena saranno inviati alla miniera d'oro convertita in South Dakota. I neutrini ricevuti a SURF possono quindi essere confrontati con quelli inviati, e potrebbe essere forgiata una nuova comprensione della natura quantistica dei neutrini. Gli scienziati misureranno con precisione le masse di questi neutrini. Possono anche scoprire altri neutrini oltre ai tre sapori conosciuti.
DUNE andrà ben oltre lo studio delle oscillazioni dei neutrini. Potrebbe aiutarci a capire il mistero non tanto piccolo di come esiste anche il nostro universo . Questo può sembrare un dilemma filosofico, ma il fatto che il nostro universo sia composto principalmente da materia e non da antimateria è una delle domande più grandi che incombono sulla scienza moderna.
Durante il Big Bang, circa 13,8 miliardi di anni fa, materia e antimateria avrebbero dovuto essere create in parti uguali. Certo, sappiamo tutti cosa succede quando materia e antimateria si incontrano:esplode, o annichilisce, senza lasciare altro che energia. Così, se il Big Bang producesse parti uguali di materia e antimateria, non ci sarebbe niente qui.
Il fatto che SIAMO qui significa che l'universo ha prodotto leggermente più materia che antimateria, così quando tutto quell'annientamento avvenne alla nascita dell'universo, la materia vinse e l'antimateria divenne un'estrema rarità. Ciò significa che alcune leggi fisiche fondamentali sono state infrante al Big Bang, un enigma che i fisici chiamano una violazione della simmetria di parità di carica - o una "violazione CP". Gli acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider possono testare perché la natura preferisce la materia all'antimateria, e DUNE lo farà, pure, sperimentando i neutrini e il loro partner di antimateria, l'antineutrino.
Il fascio di neutrini presso l'impianto di produzione del Fermilab dovrebbe essere operativo entro il 2026, e la costruzione del rivelatore DUNE finale dovrebbe essere completata entro il 2027. Le speranze sono alte che potremmo essere sull'orlo di un'altra scoperta simile a Higgs.
Ora è interessanteSe hai intenzione di produrre il fascio di neutrini con la più alta intensità al mondo, dovrai arruolare alcuni scienziati. DUNE ha accumulato 1, 000 collaboratori provenienti da 30 paesi diversi. Con quei numeri, si unisce ai ranghi dei veri grandi esperimenti, molti dei quali sono condotti al Large Hadron Collider.
