In una miniera d'oro abbandonata vicino a Deadwood, Sud Dakota, è iniziata la costruzione di quello che è probabilmente il più grande esperimento scientifico del mondo. Faccio parte di un team internazionale di circa 1, 000 scienziati si sono riuniti per progettare ed eseguire questo progetto – il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) – al fine di studiare la particella di materia più abbondante ma sfuggente nell'universo.

Così facendo, possiamo fare un passo avanti verso la comprensione delle origini della materia e per completare il modello scientifico di come funziona l'universo. Ecco perché il governo del Regno Unito ha ora impegnato 65 milioni di sterline per il progetto, rendendo il Regno Unito il secondo maggior contribuente al progetto dopo gli Stati Uniti.

I fisici delle particelle come me sono affascinati dai neutrini per le loro proprietà insolite, che possono essere direttamente collegati a fenomeni che potrebbero spiegare la struttura dell'universo. I neutrini sono una delle particelle fondamentali che non possono essere scomposte in nient'altro. Sono ovunque ma sono estremamente difficili da catturare in quanto non hanno quasi massa, non sono cariche e raramente interagiscono con altre particelle.

Circa 100 miliardi di loro viaggiano attraverso le nostre dita ogni secondo, ma quasi tutti attraversano la Terra senza lasciare traccia. La maggior parte di questi neutrini proviene da reazioni nucleari che alimentano il sole. I neutrini provengono anche dai raggi cosmici che colpiscono l'atmosfera, o stelle che esplodono. Furono anche prodotti in abbondanza subito dopo la nascita dell'universo.

Ciò significa che studiando i neutrini e confrontandoli con i loro omologhi "antineutrini", potremmo essere in grado di capire cosa è successo all'inizio dell'universo, il che significava che sarebbe stato fatto principalmente di materia e non di antimateria. Gli esperimenti costruiti per rilevare i neutrini potrebbero anche aiutarci a scoprire se i protoni decadono, una prova chiave per dimostrare le idee di alcuni scienziati su come la maggior parte delle forze in fisica possono essere spiegate usando una "teoria unificata".

Per fare questo, DUNE lancerà fasci di neutrini dal Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois, NOI, lungo un 1, 300 km di traiettoria sotterranea verso il Sanford Underground Research Facility nel South Dakota. A confronto, l'acceleratore di particelle circolare Large Hadron Collider utilizzato per trovare il bosone di Higgs ha una circonferenza di soli 27 km, anche se le particelle di DUNE viaggeranno attraverso il terreno piuttosto che in un tunnel appositamente costruito.

Rilevare i neutrini

I neutrini sono di tre tipi o "sapori" come vengono chiamati:neutrini elettronici, muoni-neutrini, e tau-neutrini. I neutrini che lasceranno il Fermilab saranno per lo più di sapore muonico, ma potrebbero cambiare o "oscillare" mentre viaggiano. Rilevare queste oscillazioni è ciò che fornirà risposte certe alle domande sulla natura del neutrino e sul suo ruolo nell'universo.

I neutrini possono essere rilevati registrando la luce, carica e tipo di particella che producono quando entrano in contatto con determinati liquidi. Quando ogni neutrino arriva, creerà una particella che corrisponde al suo sapore. Un elettrone-neutrino, Per esempio, produrrà un elettrone mentre un muone-neutrino produrrà un muone. Se possiamo rilevare gli elettroni, allora sappiamo che i neutrini muonici hanno cambiato il loro sapore mentre viaggiavano.

DUNE utilizzerà quattro grandi serbatoi, ciascuno contenente 10, 000 tonnellate di argon liquido tenuto ad una temperatura di -186℃, per rilevare i neutrini con una precisione molto maggiore rispetto a precedenti esperimenti che erano più piccoli o utilizzavano serbatoi pieni d'acqua. L'esperimento deve svolgersi a circa un miglio sottoterra per proteggere i rilevatori dall'essere sopraffatti da falsi segnali di neutrini provenienti dalla radiazione cosmica che bombarda la Terra.

L'enorme sensibilità prodotta utilizzando questo metodo aiuterà anche a rilevare scoppi di neutrini dallo spazio. Per esempio, nel 1987 una vicina esplosione di una stella (supernova) ha portato tutti i rivelatori di neutrini del mondo a registrare 25 eventi di neutrini in totale. DUNE sarebbe in grado di osservare migliaia di scattering di neutrini in un periodo di circa dieci secondi per una supernova simile. L'analisi della composizione e della struttura temporale di un tale impulso di neutrini rivoluzionerebbe la nostra comprensione delle supernove e delle proprietà dei neutrini.

Risolvere il mistero dell'antimateria

Tutto questo dovrebbe aiutarci a rispondere ad alcune domande chiave sui neutrini, per esempio sulla loro massa. I neutrini sono così piccoli che la loro massa probabilmente non è stata creata dal bosone di Higgs, recentemente scoperto dal Large Hadron Collider, allo stesso modo della maggior parte delle altre particelle elementari. Anziché, la loro massa può provenire da neutrini partner molto pesanti che decadono molto rapidamente dopo la formazione.

Questi neutrini partner avrebbero giocato un ruolo chiave nella prima evoluzione dell'universo e potrebbero anche aiutare a spiegare perché c'è così tanta più materia che antimateria nell'universo. DUNE ci aiuterà anche a capire se i neutrini e il loro equivalente antimateria, antineutrini, comportarsi in modo identico, fornendo ulteriori prove del dominio della materia.

Poiché le grandi quantità di argon nel rivelatore contengono molti protoni, DUNE è anche un esperimento ideale per cercare il decadimento del protone. Sotto il nostro attuale "modello standard" di fisica che descrive tutte le particelle fondamentali, è impossibile che i protoni decadano. Ma molte delle grandi teorie unificate che gli scienziati stanno mettendo insieme per spiegare tutte le forze nell'universo (eccetto la gravità) prevedono che i protoni decadono, solo molto lentamente.

Finora non abbiamo prove del decadimento del protone ma, se si verifica, quindi DUNE dovrebbe essere in grado di rilevarlo e localizzarlo all'interno dell'argon liquido con precisione millimetrica. Questo potrebbe aiutare a dimostrare se qualcuna delle grandi teorie unificate è corretta, e ancora una volta potrebbe fornire ulteriori indizi sul dominio della materia sull'antimateria.

Il nuovo finanziamento, insieme agli sforzi congiunti di scienziati di tutto il mondo, ci metterà sulla buona strada per registrare i primi eventi in DUNE nel 2024. Ciò significa che entro il prossimo decennio avremmo potuto risolvere alcuni dei più grandi misteri dell'universo.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.