Il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) è una collaborazione di ricerca internazionale volta ad esplorare temi legati ai neutrini e al decadimento dei protoni, che dovrebbe iniziare a raccogliere dati intorno al 2025. In un recente studio presentato in Lettere di revisione fisica , un team di ricercatori dell'Ohio State University ha dimostrato che DUNE ha il potenziale per fornire risultati innovativi e informazioni sui neutrini solari.

L'astronomia dei neutrini è un campo che studia i diversi tipi di neutrini. La ricerca in questo campo, come il recente studio condotto dal team della Ohio State University, è notevolmente aumentato negli ultimi decenni.

"Per quanto ne sappiamo, i neutrini sono particelle elementari, nel senso che non sono composti da 'pezzi più piccoli, '" Francesco Capozzi, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Queste particelle non possiedono alcuna carica elettrica, quindi non possono interagire elettromagneticamente attraverso la forza che tiene insieme elettroni e protoni in un atomo".

I neutrini sono particelle affascinanti, poiché le loro proprietà principali sono molto diverse da quelle di altre particelle elementari. Ad esempio, le loro masse sono incredibilmente piccole, circa un milionesimo delle particelle immediatamente più leggere (cioè, elettroni).

Un'altra caratteristica unica dei neutrini è che possono interagire con altra materia solo attraverso una cosiddetta "interazione debole". Come suggerisce il nome, questa 'interazione debole' è molto più debole di quella elettromagnetica; così deboli che i neutrini possono viaggiare attraverso la Terra o il sole senza mai interagire con altre particelle. Inoltre, in quanto sono neutrali in carica, i neutrini non sono influenzati dai campi magnetici della Terra o del sole.

"Le proprietà dei neutrini li rendono sonde uniche dell'universo, — disse Capozzi. — Possono portare informazioni su regioni che altrimenti sarebbero inaccessibili.

Esistono diverse sorgenti di neutrini, e a seconda di dove vengono prodotti, possono differire nei flussi, energie per particella, e altre proprietà. neutrini solari, ad esempio, sono prodotti nel nucleo del sole, ma può poi fuggire in altre parti del sistema solare. Circa 60 miliardi di neutrini elettronici per centimetro quadrato raggiungono la Terra dal sole ogni secondo. L'analisi di queste particelle potrebbe consentire ai ricercatori di scoprire informazioni in tempo reale su ciò che sta accadendo proprio al centro del sole.

Un altro tipo di neutrino comprende quelli prodotti durante le esplosioni superenergetiche di stelle massicce, neutrini di supernova. Questi neutrini raggiungono ore terrestri prima della luce prodotta nell'esplosione, e provengono direttamente dalla parte più interna di una stella che esplode, dove la densità è così alta che anche i neutrini possono rimanere intrappolati per un po'. Questi sono solo alcuni esempi di sorgenti di neutrini, ma ce ne sono innumerevoli altri, alcuni dei quali non sono ancora stati rilevati.

"Esistono persino neutrini che si sono propagati liberamente attraverso l'universo da circa un secondo dopo il Big Bang, che portano le impronte dell'universo primordiale, " disse Capozzi. "Tuttavia, non siamo ancora stati in grado di rilevarli".

Sulla base di quanto osservato finora dagli astrofisici, i neutrini si presentano in tre "sapori" principali:neutrini elettronici, neutrini muonici e neutrini tau. Ciascuno di questi diversi "sapori" viene identificato in base alla particella carica prodotta durante un'interazione debole (cioè, elettroni, muoni o taus).

Finora, rilevare e studiare i neutrini si è rivelato incredibilmente impegnativo, principalmente a causa del fatto che raramente interagiscono con altra materia. Un modo per superare questa limitazione è costruire rivelatori di grandi dimensioni che compensino la bassa probabilità di interazioni dei neutrini aumentando il numero di possibili particelle con cui possono interagire.

Il rivelatore Super-Kamiokande (Super-K) in Giappone, che consiste essenzialmente in un serbatoio riempito con 50, 000 tonnellate dell'acqua più pura disponibile sulla Terra, è attualmente il più grande rivelatore disponibile per neutrini MeV (bassa energia). I neutrini a bassa energia sono quelli nella gamma di energia MeV, che sono prodotti principalmente nei processi nucleari, ad esempio, tramite reazioni di fusione al sole o al centro di stelle che esplodono.

"Un altro problema è che non possiamo vedere i neutrini stessi usando i rivelatori; possiamo vedere solo la particella carica prodotta nelle loro interazioni, " ha spiegato Capozzi. In Super-Kamiokande, ad esempio, vediamo la luce che queste particelle cariche emettono nell'acqua quando viaggiano quasi alla velocità della luce".

Il sole è una delle più importanti fonti naturali di neutrini, poiché sono prodotti tramite le stesse reazioni nucleari che consentono al sole di splendere. Quando gli scienziati hanno iniziato a rilevare i neutrini solari negli anni '60, hanno scoperto che c'erano meno neutrini elettronici di quanto si aspettassero.

"Una possibile spiegazione per questa anomalia era che i neutrini stavano cambiando il loro sapore durante la propagazione, » spiegò Capozzi. «Questo fenomeno, ora noto come oscillazione del neutrino, è fisicamente possibile solo se i neutrini hanno massa. Ci sono voluti circa 30 anni per confermare che l'anomalia del neutrino solare fosse, infatti, a causa delle oscillazioni dei neutrini."

Essenzialmente, anche se i neutrini hanno gusti diversi, gli scienziati hanno scoperto che possono anche oscillare e "cambiare i sapori". I due fisici che lo scoprirono, Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald, sono stati insigniti del Premio Nobel per la Fisica nel 2015.

"Forse la cosa più strana dei neutrini è che oscillano, "Shirley Li, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "I neutrini nati con un sapore possono trasformarsi in neutrini con un sapore diverso dopo che si sono propagati a una certa distanza. Immagina quanto saresti sorpreso se comprassi una coppetta di gelato al cioccolato e vedessi che si trasformava in gelato alla fragola una volta aperta a casa. I fisici furono ugualmente sorpresi quando fu scoperta l'oscillazione del neutrino."

Dalla scoperta delle oscillazioni dei neutrini, i ricercatori hanno utilizzato i neutrini solari per determinare i parametri che descrivono le loro oscillazioni. Nonostante gli enormi sforzi per raggiungere questo obiettivo, molte domande rimangono senza risposta.

in primo luogo, i ricercatori non sono stati in grado di osservare tutte le reazioni nucleari attraverso i corrispondenti neutrini. Ad esempio, neutrini "hep", che sono prodotti dalla fusione di un nucleo di elio e di un protone, si sono rivelati particolarmente difficili da osservare. Infatti, mentre i neutrini epatici sono i più energetici tra i neutrini solari, sono molto piccoli nel flusso rispetto ad altri neutrini.

Inoltre, i parametri di oscillazione determinati negli esperimenti sui neutrini solari non sono in completo accordo con le misurazioni raccolte in altri tipi di esperimenti. Ciò potrebbe essere dovuto ad alcuni fenomeni fisici sconosciuti che interessano solo i neutrini solari.

"Non abbiamo esaurito le domande sui neutrini solari, abbiamo esaurito i rivelatori avanzati, "John Beacom, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org.

A causa delle limitazioni dei rilevatori esistenti, la maggior parte degli attuali esperimenti sui neutrini molto probabilmente non sarà in grado di affrontare le domande senza risposta. Ciò ha ispirato un ampio team internazionale di ricercatori a iniziare a costruire DUNE, un grande rivelatore in una miniera in South Dakota che si trova a 4850 piedi sotto terra.

"Nel passato, è già stato discusso che DUNE potrebbe essere usato come rivelatore di neutrini solari, pure, " disse Capozzi. "Tuttavia, non è stato effettuato alcuno studio approfondito in questa direzione. Abbiamo deciso di colmare questa lacuna, dimostrando che DUNE è effettivamente in grado di fornire le risposte a tali domande, con praticamente nessun investimento di denaro extra."

Nel loro recente studio, Capozzi, Li, Beacom e il loro collega Guanying Zhu hanno cercato di dimostrare che la miniera DUNE potrebbe anche essere un rivelatore di neutrini solare leader nel mondo. Per fare ciò, hanno prima valutato la quantità di background della miniera, che è essenzialmente qualcosa osservato in un rilevatore che imita il segnale che si sta cercando, anche se ha un'origine completamente diversa. Questo sfondo può confondere e influenzare negativamente la misurazione e il rilevamento dei neutrini.

"Nella fascia energetica rilevante per i neutrini solari, lo sfondo più importante proviene dalla radioattività naturale, "Spiega Capozzi. "Dal momento che l'esperimento sarà basato in una grotta in una profonda miniera, la radioattività proviene dalla roccia circostante. Per fare una stima dello sfondo, dobbiamo prima capire la composizione della roccia prevista per il sito del rivelatore".

La simulazione di eventi in background in DUNE si è rivelata alquanto impegnativa, poiché questi possono provenire da una varietà di fonti, e quindi identificarli richiede analisi approfondite. Quando hanno iniziato a lavorare al loro studio, i ricercatori hanno quindi iniziato a studiare le fonti di fondo per gli esperimenti sui neutrini effettuati in passato e hanno calcolato questi tassi nel contesto di DUNE.

"Si scopre che i loro tassi sono ragionevolmente bassi rispetto ai tassi di segnale, " Li ha detto. "Tuttavia, a metà del nostro studio, abbiamo scoperto in letteratura l'esistenza di questo particolare background solo per i rivelatori di argon. Questi sono neutroni a bassa energia prodotti da radioattività nella roccia circostante. Questo risulta essere lo sfondo dominante per la misurazione dei neutrini solari in DUNE".

I ricercatori hanno basato le loro analisi sulla letteratura passata che delinea gli aspetti geologici della miniera di DUNE, che sono di cruciale importanza per completare scavi adeguati. Conoscendo l'esatta composizione della roccia nella miniera, sono stati quindi in grado di eseguire un calcolo per prevederne lo sfondo previsto. Successivamente, hanno utilizzato strumenti statistici per valutare la precisione che DUNE può raggiungere nella misurazione dei parametri di oscillazione e del flusso di neutrini in fuga dal sole.

Una volta identificate le possibili fonti di sfondo nell'esperimento DUNE, hanno cercato di elaborare strategie per eliminare gli sfondi, poiché le loro velocità sono in genere molto più elevate delle velocità del segnale dei neutrini. Hanno trovato due soluzioni distinte:una che prevede di circondare il rilevatore con uno strato di plastica e l'altra di raccogliere dati per il doppio del tempo per ottenere una migliore sensibilità.

"Per ogni fase dell'esperimento, abbiamo dovuto curare ulteriori dettagli, — disse Capozzi. — Per esempio, abbiamo dovuto trattare attentamente le interazioni dei neutrini con il rivelatore, che sarà fatto di argon liquido. All'energia rilevante per i neutrini solari, un'interazione molto importante è con l'intero nucleo di argon, che dipende da complicati effetti nucleari."

Prima di iniziare a valutare il potenziale di DUNE come rivelatore per scoprire nuove cose sui neutrini, i ricercatori hanno esaminato tutte le ricerche passate su questo argomento, confrontare i risultati ottenuti utilizzando diverse tecniche di fisica nucleare sperimentali e teoriche. In definitiva, hanno selezionato la tecnica che ritenevano più appropriata e l'hanno implementata utilizzando i computer locali della loro università.

"Ora abbiamo un quadro teorico che ci consente di calcolare la probabilità che i neutrini nascano con un sapore che si sintonizza su un sapore diverso, " disse Li. "Questo dipende dall'energia del neutrino e dalla distanza di propagazione, oltre a sei parametri di oscillazione. Volevamo misurare quanti più tipi di oscillazione dei neutrini potevamo, per esempio., neutrini con uno dei tre sapori che oscillano su altri sapori, per ottenere le misure più precise dei sei parametri di oscillazione, e, soprattutto, per valutare se il nostro attuale quadro di oscillazione dei neutrini fosse, infatti, corretta."

L'esperimento DUNE è progettato per studiare i neutrini in modo specifico misurando un flusso di neutrini muonici ad alta energia che oscillano in neutrini elettronici che raggiungono un grande rivelatore nella miniera sotterranea del South Dakota. Ciò potrebbe in definitiva consentire ai ricercatori di misurare con maggiore precisione due parametri di oscillazione che sono stati approssimativamente misurati in esperimenti precedenti.

Il rivelatore utilizzato nell'esperimento DUNE è estremamente grande rispetto ad altri rivelatori esistenti. Sono 40 kilotoni di argon con cui i neutrini possono interagire, e rileva le particelle tramite una tecnologia a camera di proiezione temporale, consentendo la raccolta di immagini 3D per ogni interazione di neutrini.

"Una domanda naturale è, cos'altro può misurare questo straordinario rivelatore?" ha detto Li. "È così che abbiamo avuto l'idea di misurare i neutrini solari con DUNE. L'oscillazione del neutrino solare è particolarmente interessante. Finora, i modelli di oscillazione del neutrino solare e del reattore sono leggermente in disaccordo. Ciò potrebbe essere dovuto a due ragioni:o c'è un'improbabile fluttuazione statistica nei dati attuali, oppure la nostra attuale comprensione teorica dell'oscillazione dei neutrini non è completa. La seconda possibilità è estremamente eccitante".

Un altro esperimento chiamato JUNO, prevista per il 2020, misurerà i neutrini che escono dai reattori nucleari. I neutrini solari e i neutrini del reattore sono, in linea di principio, sensibile agli stessi parametri di oscillazione. Quindi, se il quadro teorico proposto dai ricercatori è giusto, i parametri identificati nell'esperimento JUNO (cioè, per i neutrini dei reattori) dovrebbero essere allineati con quelli raccolti nell'esperimento DUNE (cioè, per i neutrini solari).

Studi precedenti hanno trovato discrepanze tra i parametri di oscillazione del reattore e dei neutrini solari, ma le misurazioni più precise che verranno raccolte negli esperimenti JUNO e DUNE potrebbero far luce su questa discrepanza. Questo potrebbe a sua volta portare alla scoperta di nuovi fenomeni fisici.

Finora, c'è stato un certo scetticismo nel mondo della fisica sul fatto che la miniera sotterranea DUNE sia un efficace rivelatore di neutrini solari, principalmente a causa della grande quantità di sfondo previsto, che potrebbero influenzare negativamente i risultati. Nel loro studio, però, Capozzi, Li, Zhu e Beacom hanno dimostrato che DUNE potrebbe portare a misurazioni leader a livello mondiale dei neutrini solari, consentendo anche potenzialmente le prime misurazioni precise dei neutrini solari "hep".

"Nonostante lo scetticismo, siamo riusciti a dimostrare che questo sfondo può essere drasticamente ridotto applicando alcuni criteri di selezione a ciò che vedremo nel rilevatore, " Disse Capozzi. "Lo sfondo sinistro dominerà sul segnale solo a basse energie. La parte ad alta energia sarà 'intatta, ' e abbiamo stimato che sarà composto da 100, 000 neutrini solari osservati in cinque anni."

Oltre a dimostrare l'enorme potenziale di DUNE, Capozzi Li, Zhu, e Beacom hanno introdotto una serie di miglioramenti teorici e sperimentali fattibili che potrebbero migliorare le prestazioni del rivelatore DUNE. Questi miglioramenti potrebbero anche avvantaggiare il progetto in generale, facilitare l'indagine di altri fenomeni fisici.

Per rispondere alle domande senza risposta, la prossima generazione di rivelatori di neutrini dovrà essere di dimensioni enormi e avere capacità di rilevamento avanzate. Anche usando questi rilevatori, alcune delle proprietà e delle caratteristiche dei neutrini molto probabilmente rimarranno un mistero, poiché ci sono ancora numerose sfide tecniche da superare.

"Senza questa misura in DUNE, potremmo non sapere mai perché i neutrini solari sembrano mescolarsi in modo diverso dagli antineutrini del reattore, " Beacom ha detto. "Non stiamo dicendo che indagare su questo sarà facile, ma diciamo che è importante".

I ricercatori della Ohio State University stanno ora pianificando di condividere i risultati dei loro calcoli e simulazioni, così come i loro suggerimenti per il miglioramento con la comunità di astrofisica in generale. Sperano che questo stimolerà la conversazione e alla fine incoraggerà i cambiamenti che potrebbero migliorare ulteriormente le prestazioni del rivelatore DUNE prima che l'esperimento venga effettuato.

"Siamo entusiasti di vedere che la collaborazione DUNE sta esaminando i dettagli della nostra analisi, e si spera che questa analisi venga eseguita quando DUNE sarà online, " Li ha detto. "Nel complesso, è un momento davvero emozionante per studiare i neutrini, poiché ci sono così tante misurazioni e test interessanti che si possono fare in questi esperimenti. Sto ancora cercando di elaborare misurazioni che non sono state prese in considerazione prima e di studiare cosa possono dirci sui neutrini e sulla fisica oltre il modello standard".

Uno degli obiettivi principali della ricerca futura del team sarà sfruttare al meglio le osservazioni raccolte nella miniera DUNE o utilizzando altri grandi rivelatori. Per fare questo, il team prevede di continuare a studiare nuove tecniche che potrebbero rendere i rivelatori più sensibili ai neutrini prodotti da sorgenti astrofisiche.

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