Argon. È tutto intorno a noi. È nell'aria che respiriamo, luci a incandescenza che leggiamo e globi al plasma con cui molti di noi giocavano da bambini.

In forma liquida, l'argon è anche un bersaglio economico ed efficace per gli esperimenti di fisica dei neutrini. Il 21 febbraio, gli scienziati del Fermilab hanno iniziato a raffreddare ICARUS, il più grande rivelatore di particelle del programma Short-Baseline Neutrino del laboratorio, e a riempirlo con 760 tonnellate di argon liquido, l'avvicinamento dell'ICARUS all'operazione e la ricerca di un quarto tipo di neutrino.

"Lo Short-Baseline Neutrino Program è sorprendente perché risolverà finalmente i risultati anomali di vecchia data nelle misurazioni dei neutrini, " ha detto Robert Wilson, vice portavoce dell'ICARUS e professore di fisica alla Colorado State University.

"I neutrini sono una componente fondamentale e abbondante del nostro universo:ne sappiamo ancora troppo poco, e questo mi tiene molto interessato a continuare a cercare le loro proprietà, "aggiunse Carlo Rubbia, Premio Nobel e portavoce ICARUS.

Più di 20 anni fa, gli scienziati del Los Alamos National Laboratory hanno trovato più antineutrini elettronici di quanto si aspettassero nei risultati del rivelatore di neutrini a scintillazione liquida. In un esperimento di follow-up più di 10 anni dopo, gli scienziati dell'esperimento MiniBooNE al Fermilab hanno osservato un'incoerenza simile e hanno scoperto una nuova anomalia nei loro dati sui neutrini.

Gli scienziati si chiedono se questa sia stata più che una coincidenza.

Un quarto tipo di neutrino

È noto che i tre tipi di neutrini conosciuti – elettrone, muone e tau – oscillano, o cambiare, l'uno nell'altro. Per studiare queste oscillazioni e come avvengono, gli scienziati hanno bisogno dei neutrini per interagire con qualcosa. Per ICARO, quella sostanza è argon liquido.

Nell'esperimento ICARUS, un fascio di neutrini di tipo muonico interagirà con l'argon liquido e dovrebbe, in teoria, producono particelle per lo più cariche chiamate muoni. (Un fascio di neutrini di tipo elettronico dovrebbe produrre principalmente elettroni.) Ma dati i risultati del rivelatore di neutrini a scintillazione liquida e del MiniBooNE, questa è solo una parte della storia, e ICARUS intende colmare le lacune.

"E se i neutrini stessero oscillando in un neutrino che non interagisce affatto, nemmeno un po' come fanno gli altri neutrini?" disse Wilson. "Questa non è un'estensione naturale della teoria dei neutrini, ma potrebbe spiegare i risultati di LSND e MiniBooNE."

Tale quarto tipo di neutrino, a differenza degli altri, non si trasformerebbe in una particella carica complementare all'interazione in un rivelatore. Infatti, non interagirebbe affatto. Dalla meccanica quantistica, però, questo cosiddetto neutrino sterile potrebbe ancora oscillare tra i tipi di neutrino e alterare il modello di oscillazione che ICARUS osserverà.

La scoperta di un neutrino sterile capovolgerebbe il modello standard delle particelle subatomiche e influenzerebbe la nostra comprensione di come si è evoluto l'universo.

Dal ripieno alla trave

La posizione ottimale di ICARUS, le dimensioni e il materiale del rivelatore lo rendono particolarmente sensibile alla rilevazione di neutrini che mostrerebbero questo effetto di oscillazione. Se gli scienziati ICARUS trovassero più neutrini elettronici nel fascio di neutrini di tipo muonico del previsto, avrebbero finalmente avuto prove concrete di neutrini sterili.

Le misurazioni di ICARUS forniranno anche informazioni su come gli esperimenti sui neutrini a base lunga raccolgono e analizzano i dati. Per esempio, l'esperienza degli scienziati su ICARUS informerà il molto più grande, Esperimento internazionale di neutrini sotterranei profondi, affittato da Fermilab. La tecnologia di rilevamento dell'argon liquido di ICARUS sarà adattata per DUNE, che utilizzerà 70, 000 tonnellate di argon liquido per studiare i tre tipi di neutrini conosciuti e come cambiano da uno all'altro.

"ICARUS ha fatto molta strada dalla sua ideazione e attività di presa dati presso il Laboratorio del Gran Sasso in Italia e ora si sta avvicinando a una nuova fase di acquisizione dati qui al Fermilab. Sono entusiasta di vedere l'entusiasmo di una generazione più giovane di scienziati ora al lavorare su questo esperimento, " Disse Rubbia.

Ci vorranno circa otto settimane per riempire ICARUS con argon liquido. Una volta riempito il rilevatore, gli scienziati controlleranno la sua stabilità e la purezza dell'argon. Quindi, accenderanno l'energia per la prima volta da quando ICARUS è arrivato al Fermilab attraverso l'Oceano Atlantico. Si aspettano di vedere le prime tracce di particelle entro la fine dell'anno.