neutrini, particelle fondamentali spettrali che sono notoriamente difficili da studiare, potrebbe fornire agli scienziati indizi sull'evoluzione dell'universo.

Sono così difficili da catturare, infatti, che è possibile che ci sia un quarto tipo che si nasconde sotto il nostro naso da decenni.

Scienziati del Fermi National Accelerator Laboratory affiliato a Chicago, sito della più vasta ricerca sui neutrini al mondo, stanno conducendo una collaborazione internazionale per esplorare la possibilità di una particella completamente nuova. Sebbene siano noti tre tipi di neutrini, gli scienziati stanno cercando un possibile quarto:il neutrino sterile, la cui esistenza è stata presa in giro ma mai chiaramente confermata.

I componenti principali per il nuovo esperimento sui neutrini stanno arrivando da tutto il mondo per essere integrati nel prossimo rivelatore a breve linea di base. o SBND, al Fermilab.

"Il programma a breve termine mira a indirizzare risultati interessanti di esperimenti precedenti che potrebbero suggerire una nuova classe di neutrini, che aprirebbe un mondo completamente nuovo, area inaspettata nella fisica dei neutrini, "ha detto David Schmitz, Co-portavoce SBND e assistente professore di fisica presso l'Università di Chicago. "Ma non importa cosa troviamo, i risultati dovrebbero darci chiarezza su questo enigma di vecchia data".

Al Fermilab, situato a circa 45 miglia a ovest di Chicago, tre rivelatori si trovano lungo un fascio di neutrini generati dagli acceleratori di particelle del Fermilab. Dei tre, il nuovo rilevatore siederà più vicino alla sorgente del raggio, a soli 360 metri di distanza. (Gli altri due, MicroBooNE e ICARUS, sono 1, 500 piedi e 2, 000 piedi dalla sorgente, rispettivamente.)

"Il motivo per cui hai tre rivelatori è che vuoi campionare il fascio di neutrini lungo la linea di luce a distanze diverse, " ha detto la scienziata del neutrino del Fermilab Ornella Palamara, l'altro portavoce del progetto.

Quando i neutrini passano attraverso un rivelatore dopo l'altro, alcuni di loro lasciano tracce nei rilevatori. Gli scienziati analizzeranno queste informazioni per cercare prove concrete del membro ipotizzato ma mai visto della famiglia dei neutrini.

Fare una (dis)apparizione

I neutrini si presentano in uno dei tre "sapori":elettrone, muone e tau. Cambiano da un sapore all'altro mentre viaggiano nello spazio, che si chiama oscillazione. È noto che i neutrini oscillano dentro e fuori i tre sapori, ma solo ulteriori prove aiuteranno gli scienziati a determinare se oscillano anche in un quarto tipo:un neutrino sterile.

Se questi neutrini sterili esistono, non interagiscono affatto con la materia. (I neutrini che conosciamo interagiscono, ma solo raramente.) I risultati di altri esperimenti hanno suggerito la possibilità dell'esistenza del neutrino sterile, ma così lontano, nessuno lo ha confermato.

SBND, come primo rivelatore nel raggio, registrerà il numero di neutrini di elettroni e muoni che lo attraversano prima che possa verificarsi l'oscillazione. La stragrande maggioranza di loro, circa il 99,5%, sarà costituita da neutrini muonici. Al momento del loro arrivo ai rivelatori lontani, MicroBooNE e ICARUS, pochi su ogni mille neutrini muonici potrebbero essersi convertiti in neutrini elettronici.

Due possibili esiti potrebbero indicare l'esistenza della nuova particella.

Uno è che i rivelatori lontani vedono più neutrini elettronici del previsto. Questa potrebbe essere la prova che sono presenti anche neutrini sterili:i neutrini potrebbero convertirsi da e verso gli stati di neutrini sterili in un modo che produce un eccesso di neutrini elettronici. L'altro è che i rivelatori lontani vedono meno neutrini muonici del previsto - i neutrini muonici individuati in SBND "scompaiono" - perché si sono convertiti in neutrini sterili.

"Avere un singolo esperimento in cui possiamo vedere l'aspetto del neutrino elettronico e la scomparsa del neutrino muonico contemporaneamente e assicurarci che le loro magnitudini siano compatibili tra loro è enormemente potente per cercare di scoprire oscillazioni di neutrini sterili, " ha detto Schmitz. "Il rivelatore vicino migliora sostanzialmente la nostra capacità di farlo."

Componenti da tre continenti

Il primo dei quattro gruppi di piani anodici, componenti elettronici altamente sensibili, è venuto al Fermilab in ottobre. Altri sono in arrivo.

Gli assemblaggi del piano anodico, quattro in tutto, fanno parte di un rilevatore di 4x4x5 metri che sarà sospeso all'interno di un serbatoio criogenico riempito di argon liquido a -300 gradi Fahrenheit. Ogni assemblaggio è un enorme telaio ricoperto da migliaia di delicati fili sensoriali, progettato per tracciare le particelle che escono dai neutrini in collisione con gli atomi di argon nel serbatoio.

SBND sarà anche un banco di prova per alcune delle tecnologie, compresi i gruppi del piano anodico, che verrà utilizzato nell'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino, noto come DUNE, un esperimento di megascienza ospitato da Fermilab che è attualmente in costruzione in South Dakota.

Istituzioni in Europa, Il Sud America e gli Stati Uniti stanno aiutando a costruire i vari componenti di SBND. In tutto, più di 20 istituzioni in tre continenti sono coinvolte nello sforzo. Un'altra dozzina sta collaborando su strumenti software per analizzare i dati una volta che il rilevatore è operativo, ha detto Schmitz.

"Fare parte di una collaborazione internazionale è fantastico, " Disse Palamara. "Certo, ci sono sfide, ma è fantastico vedere persone provenienti da tutto il mondo per lavorare al programma. Avere pezzi del rivelatore costruiti in posti diversi e poi vedere tutto insieme è emozionante".

L'assemblaggio di SBND dovrebbe terminare nell'autunno 2019, dopodiché il rivelatore sarà installato nel suo edificio lungo il fascio di neutrini generato dall'acceleratore. SBND dovrebbe iniziare a ricevere i neutrini entro la fine del 2020.