In fisica, l'antimateria è semplicemente l'"opposto" della materia. Le particelle di antimateria hanno la stessa massa delle loro controparti ma con altre proprietà capovolte; Per esempio, i protoni nella materia hanno una carica positiva mentre gli antiprotoni sono negativi. L'antimateria può essere prodotta in laboratorio utilizzando collisioni di particelle ad alta energia, ma questi eventi creano quasi sempre parti uguali sia di antimateria che di materia e, quando due particelle opposte entrano in contatto tra loro, entrambi vengono distrutti in una potente ondata di pura energia.

Ciò che lascia perplessi i fisici è che quasi tutto nell'universo, persone comprese, è fatto di materia, non di parti uguali materia e antimateria. Durante la ricerca di intuizioni che potrebbero spiegare cosa ha impedito all'universo di creare galassie separate di materia e antimateria, o esplodendo nel nulla, i ricercatori hanno trovato alcune prove che la risposta potrebbe nascondersi in particelle molto comuni ma poco conosciute note come neutrini.

Un team di ricercatori guidati da Christopher Mauger ha pubblicato i risultati della prima serie di esperimenti che possono aiutare a rispondere a queste e ad altre domande sulla fisica fondamentale. Nell'ambito dell'Apparato criogenico per i test di precisione delle interazioni dell'argon con il neutrino (CAPTAIN), i loro risultati, pubblicato in Lettere di revisione fisica , sono un primo passo importante verso la costruzione del Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), una struttura sperimentale per la scienza dei neutrini e la ricerca in fisica delle particelle.

Collisori di particelle, come il Large Hadron Collider del CERN, fare esperimenti sui quark, un tipo di particella elementare. Questi esperimenti hanno trovato alcune prove che spiegano la simmetria materia-antimateria, ma solo una parte di esso. Esperimenti su un altro tipo di particella elementare, leptoni, suggerisce che queste particelle potrebbero spiegare più pienamente questa asimmetria universale. Precedenti ricerche sui neutrini, un tipo di leptone, trovato schemi inaspettati nei tre "sapori" dei neutrini, " risultati che i fisici ritengono potrebbero anche significare che la loro asimmetria potrebbe essere maggiore del previsto.

Ma la sfida con lo studio dei neutrini è che raramente interagiscono con altre particelle; un solo neutrino può attraversare un anno luce di piombo senza fare nulla. Trovare queste rare interazioni significa che i ricercatori devono studiare un gran numero di neutrini per lunghi periodi di tempo. Come ulteriore sfida, il flusso costante di muoni prodotto dalle interazioni dei raggi cosmici nell'alta atmosfera può rendere difficile individuare le interazioni poco frequenti che i ricercatori sono più interessati a vedere.

La soluzione? Vai 5, 000 piedi sottoterra, costruire quattro rivelatori da 10 kiloton pieni di argon liquido, e spara un raggio di neutrini prodotto in un acceleratore di particelle a 800 miglia di distanza. Questo è l'obiettivo finale di DUNE, una struttura internazionale di ricerca sui neutrini gestita dal Fermilab, un laboratorio di fisica delle particelle e acceleratore vicino a Chicago. Scavi per il rivelatore, che sarà installato presso il Sanford Underground Research Facility in South Dakota, sono in corso, e i ricercatori sono ora impegnati con gli esperimenti prima che il primo rivelatore venga installato nel 2022.

Essendo la prima pubblicazione di CAPTAIN, i ricercatori hanno affrontato una sfida tecnica fondamentale:come gestire le misurazioni su altre interazioni tra particelle. Per esempio, quando un neutrino interagisce con l'argon, il neutrino prende una carica ed espelle i neutroni. Una grande frazione dell'energia dall'interazione andrà nel neutrone, ma non è stato possibile determinarne l'importo. "Dobbiamo capire le interazioni argon-neutroni se vogliamo fare correttamente l'esperimento che avrà un impatto sulla nostra comprensione dell'asimmetria tra materia e antimateria, "dice Mauger.

Lui e il suo team hanno costruito un prototipo da 400 chilogrammi del rivelatore DUNE, conosciuto come Mini-CAPITANO, e ha raccolto dati da un fascio di neutroni presso il Los Alamos National Laboratory. L'ex postdoc Penn Jorge Chaves, che ha lavorato come leader di analisi per questa ricerca, afferma che la maggior parte del lavoro ha coinvolto la ricostruzione dei segnali dal rivelatore in intuizioni significative sulle proprietà che sono interessati a studiare ulteriormente.

Essendo il primo set di dati sulle interazioni dei neutroni nell'argon liquido agli intervalli di energia che verrà utilizzato in DUNE, Chaves si dice incoraggiato dai risultati fin qui ottenuti, anche se hanno ancora bisogno di ottenere dati aggiuntivi. "Prima, non è stata misurata questa sezione trasversale di interazione, ma ora abbiamo fornito risultati sperimentali reali, " dice. "Con più dati della stessa qualità, saremmo in grado di effettuare una misurazione ancora più precisa."

A breve termine, il team di CAPTAIN si concentrerà sul perfezionamento dei metodi sviluppati per questo documento e sull'esecuzione di altri esperimenti prima che DUNE inizi a raccogliere dati nel 2026. Una volta avviato ufficialmente il progetto, i ricercatori sperano di poter utilizzare questa struttura per aiutare a rispondere a domande dai campi della fisica delle particelle, fisica Nucleare, e anche astrofisica.

Mauger considera gli sforzi in corso di CAPTAIN e altri progetti come "Physics R&D, " un lavoro che aiuterà i ricercatori a raccogliere misurazioni importanti e studiare fenomeni in un modo mai fatto prima. I molti obiettivi elevati di DUNE impiegheranno decenni per essere completati, ma Mauger dice che ciò che stanno cercando di ottenere vale la pena.

"I neutrini sono così difficili da misurare, sorta di enigmatico, e c'è una sorta di fascino nel cercare di capire come funzionano. Studiando questa particella davvero interessante che ci circonda, eppure è così difficile da misurare, che potrebbe contenere la chiave per capire perché siamo qui, è eccitante, e posso farlo per vivere, "dice Mauger.