Un nuovo progetto del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per sviluppare il primo rivelatore in grado di monitorare a distanza i reattori nucleari aiuterà anche i fisici a testare la prossima generazione di osservatori di neutrini.

Le reazioni nucleari producono antineutrini rivelatori, la controparte di antimateria dei neutrini. I nuovi rivelatori saranno progettati per misurare l'energia di tali antineutrini e la direzione da cui provengono, consentendo il monitoraggio dei reattori da una distanza di 25 chilometri per verificare accordi di non proliferazione. Questo progetto getterà le basi per rivelatori più grandi in grado di monitorare le operazioni del reattore da una distanza di diverse centinaia di chilometri, aiutare le nazioni a tracciare o limitare la produzione di materiali fissili che possono essere utilizzati nelle armi nucleari.

Ma i fisici sono anche interessati a rilevare neutrini e antineutrini per scoprire le leggi fondamentali dell'universo, in particolare per sapere perché l'universo oggi è composto principalmente da materia normale con pochissima antimateria, quando entrambi avrebbero dovuto essere prodotti in egual misura durante il Big Bang.

"Queste osservazioni sui neutrini hanno implicazioni di vasta portata; potrebbero aiutarci a spiegare come siamo nati, " ha detto Gabriel Orebi Gann, un assistente professore di fisica e scienziato della facoltà presso il Lawrence Berkeley National Laboratory che è il principale investigatore dell'UC Berkeley per il nuovo rivelatore.

Il progetto iniziale si chiama Watchman, per ACQUA Cherenkov Monitor di ANtineutrinos, e sarà costruito da una grande collaborazione tra ricercatori negli Stati Uniti e nel Regno Unito, guidato dal Lawrence Livermore National Laboratory. UC Berkeley e il Berkeley Lab sono membri della collaborazione, soprannominato il banco di prova della strumentazione avanzata, o AIT, che è finanziato dalla National Nuclear Security Administration del DOE.

Fatta salva l'approvazione finale da parte delle autorità minerarie, Watchman sarà costruito nel sito del Boulby Underground Laboratory, una struttura scientifica sotterranea esistente finanziata dal governo del Regno Unito che opera in una potassa funzionante, miniera di polialite e sale (Boulby Mine) situata sulla costa nord-orientale dell'Inghilterra. Con il suo inizio operativo previsto nel 2023, sarà composto da 3, 500 tonnellate di liquido, per lo più acqua mista con l'elemento gadolinio, che sarà sintonizzato per rilevare le interazioni degli antineutrini emessi da un reattore nucleare nel complesso di Hartlepool a 25 chilometri di distanza.

Questi antineutrini interagiranno con i protoni nell'acqua bersaglio per produrre positroni, i partner di antimateria degli elettroni, che producono luce nel rivelatore quando viaggiano più veloci della velocità della luce nel liquido - l'equivalente di un boom sonico, cosiddetta luce Cherenkov. L'intensità della luce dice agli scienziati l'energia di questi positroni, che dovrebbe corrispondere alle previsioni.

Neutrini poco interattivi

I neutrini e gli antineutrini sono tra le particelle più sfuggenti della natura, passando attraverso il materiale, compresa l'intera Terra, senza interagire con nessun'altra questione. Viaggiano quasi alla velocità della luce, e gli scienziati che hanno scoperto di avere una piccola massa hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2015.

Mentre la prima fase di Watchman utilizzerà la tecnologia dei rilevatori di oggi, la seconda fase utilizzerà diverse tecnologie avanzate per migliorare la sensibilità agli antineutrini a bassa energia. Questi includono scintillatori liquidi a base d'acqua e fotosensori veloci e concentratori di luce per consentire la discriminazione tra lampi di luce separati da poche centinaia di picosecondi - 10 volte meglio di quanto raggiunto dai tubi fotomoltiplicatori di oggi.

"Questa dimostrazione getterà le basi per rivelatori più grandi che sarebbero necessari per monitorare o scoprire piccoli reattori a distanze fino a diverse centinaia di chilometri, " ha detto Adam Bernstein, Investigatore principale dell'AIT e fisico LLNL.

Per Orebi Gann, AIT è un'opportunità per testare nuovi e più sensibili rivelatori per un futuro osservatorio di neutrini che è stato chiamato Theia, dopo il Titano dea della luce. Theia dovrebbe essere un 50, Serbatoio da 000 tonnellate di scintillatore liquido a base d'acqua con metalli radioattivi aggiunti per migliorare le interazioni dei neutrini e fotosensori veloci, oltre ad altre tecnologie all'avanguardia.

"Sono molto entusiasta di contribuire all'AIT e Watchman perché è un passo davvero importante sulla strada verso Theia, " disse Orebi Gann, che è stato coinvolto non solo con il Sudbury Neutrino Observatory in Canada, dove è stata rilevata per la prima volta la massa del neutrino, ma anche il suo successore, SNO+.

Il neutrino è l'antiparticella di se stesso?

La questione principale della fisica dei neutrini oggi è se il neutrino sia la particella di antimateria propria. Questo è, neutrino e antineutrino sono la stessa cosa? Se questo fosse vero, fornirebbe un modo per spiegare l'asimmetria materia-antimateria nell'universo:consentirebbe l'esistenza di nuovi e pesantissimi neutrini che sarebbero esistiti solo dopo il Big Bang, e avrebbe potuto decadere preferenzialmente in materia invece che in antimateria.

"Se non lo vediamo, se vediamo che i neutrini non sono le proprie antiparticelle, che è ugualmente enorme, perché questo dice che c'è qualcos'altro che differenzia la materia dall'antimateria oltre alla carica elettrica, "Orebi Gann ha detto, "che c'è qualche altra simmetria che non conosciamo che differenzia il neutrino dall'antineutrino."

Il test chiave sta nelle osservazioni del doppio decadimento beta, la forma più rara di decadimento radioattivo in cui due neutroni nel nucleo di un atomo decadono spontaneamente, ciascuno creando un protone, un elettrone e un antineutrino. Se neutrini e antineutrini sono la stessa particella, in alcuni casi di questo raro evento i due neutrini/antineutrini si annichilirebbero a vicenda all'interno del nucleo e gli sperimentatori non vedrebbero emergere antineutrini.

Così, i fisici sono alla ricerca di eventi – i cosiddetti decadimenti beta doppi senza neutrini – che coinvolgano due elettroni energetici che trasportano tutta l'energia del doppio decadimento beta, e nient'altro.

SNO+ impiega un bersaglio scintillatore liquido che produce circa 50 volte più luce mentre gli elettroni lo attraversano rispetto a quella prodotta dall'effetto Cherenkov, aumentando così le possibilità di rilevare il doppio decadimento beta senza neutrini. L'obiettivo del banco di prova della strumentazione avanzata, in particolare la fase 2, consiste nel testare una combinazione di rivelazione Cherenkov e scintillazione per il rivelatore di neutrini di nuova generazione, Teia.

"Con Teia, vogliamo combinare i vantaggi di un mezzo target che produce molta luce, come scintillio, con un mezzo in cui possiamo anche vedere la luce Cherenkov, la luce direzionale, " disse Orebi Gann. "Insieme, ti daranno una direzione, rivelatore a bassa soglia che produce una fantastica discriminazione segnale-sfondo per un'ampia gamma di fisica dei neutrini, così come argomenti interessanti come il decadimento del protone".

Sebbene l'obiettivo di Watchman sia la non proliferazione, sarebbe anche in grado di rilevare lampi di antineutrino da supernova, e forse neutrini prodotti nella stessa Terra, cosiddetti geoneutrini.

"Guardiano, e più in generale l'AIT, offrire esempi della potente sinergia che si può ottenere quando gli strumenti sviluppati per la scienza di base vengono applicati in contesti di non proliferazione, " ha detto Bernstein.