Gli scienziati che lavorano al CERN hanno avviato i test di un nuovo prototipo di rivelatore di neutrini, utilizzando una tecnologia molto promettente chiamata "doppia fase". In caso di successo, questa nuova tecnologia sarà utilizzata su scala molto più ampia per l'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino, ospitato dal Fermilab del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Gli scienziati hanno iniziato a utilizzare il rivelatore prototipo a doppia fase al CERN alla fine di agosto e hanno osservato le prime tracce. Riempito con 800 tonnellate di argon, il rilevatore ha le dimensioni di una casa a tre piani.

La nuova tecnologia verrebbe utilizzata in aggiunta ai cosiddetti rilevatori monofase che sono stati utilizzati con successo per molti anni. Ma la nuova tecnologia a doppia fase potrebbe cambiare le regole del gioco, in quanto amplificherebbe significativamente i deboli segnali che le particelle creano quando si muovono attraverso il rivelatore.

"La tecnologia monofase è un metodo collaudato che verrà utilizzato per costruire il primo modulo per il rilevatore DUNE, " ha affermato il co-portavoce DUNE Ed Blucher dell'Università di Chicago. "Questa nuova tecnologia a doppia fase fornisce un secondo metodo che ha un grande potenziale da aggiungere alle capacità del rilevatore DUNE".

In un esperimento a fase singola, il rivelatore di particelle è riempito interamente di argon liquido. Aerei a filo e fotosensori immersi nell'argon liquido registrano i deboli segnali causati quando un neutrino si schianta contro un atomo di argon. La collaborazione DUNE ha iniziato a far funzionare con successo un grande prototipo di rivelatore monofase al CERN nel settembre 2018.

Scienziati e ingegneri hanno ora implementato su larga scala una tecnologia a doppia fase che utilizza l'argon liquido come materiale bersaglio e uno strato di argon gassoso sopra il liquido per amplificare i segnali delle particelle deboli prima che arrivino ai sensori situati nella parte superiore del rivelatore, all'interno del gas argon. Rispetto alla tecnologia monofase, questa configurazione potrebbe fornire segnali più forti, che li distingue dal rumore di fondo. Permetterebbe così agli scienziati di cercare interazioni di neutrini a bassa energia.

Un altro vantaggio della tecnologia bifase:Tutta l'elettronica per la raccolta dei dati è situata nello strato di gas vicino alla sommità del rivelatore ed è accessibile tramite appositi camini che si aprono dall'esterno, anche se la maggior parte del rivelatore è piena di argon, mantenuto a una temperatura inferiore a meno 184 gradi Celsius (meno 300 gradi Fahrenheit).

A differenza della tecnologia monofase, il rivelatore presenta un unico volume attivo senza componenti del rivelatore nel mezzo dell'argon liquido e un numero ridotto di elementi di lettura nella parte superiore.

"Si tratta di un design molto elegante che richiede progressi nella tecnologia dell'alta tensione e nella purezza dell'argon, ", ha affermato il direttore del Fermilab Nigel Lockyer.

Il prototipo è un rivelatore a forma di cubo lungo circa sei metri in ogni direzione. La raccolta degli elettroni e la lettura dei segnali viene eseguita da sistemi innovativi, ciascuno con una superficie di nove metri quadrati, singolarmente sospesi a pochi millimetri sopra il livello del liquido.

Il rivelatore ProtoDUNE a doppia fase non è che un piccolo componente del rivelatore che la collaborazione internazionale DUNE prevede di costruire negli Stati Uniti nel prossimo decennio:un modulo di rivelatore DUNE ospiterà l'equivalente di 20 prototipi di rivelatori a doppia fase e funzionerà ad alta tensione fino a 600, 000 volt.

DUNE prevede di costruire quattro moduli rivelatori a grandezza naturale basati sulla tecnologia dell'argon. Saranno situati a un miglio sottoterra presso il Sanford Underground Research Facility nel South Dakota. Gli scienziati lo useranno per scoprire se i neutrini potrebbero essere la ragione per cui la materia domina sull'antimateria nel nostro universo.

I risultati del test al CERN aiuteranno a decidere quanti moduli saranno caratterizzati dalla tecnologia monofase e quanti utilizzeranno la tecnologia a doppia fase.

La collaborazione DUNE include più di 1, 000 scienziati e ingegneri provenienti da oltre 30 paesi in cinque continenti:Africa, Asia, Europa, Nord America e Sud America.