La collaborazione DUNE ha pubblicato il suo primo articolo scientifico basato sui dati raccolti con il rivelatore monofase ProtoDUNE situato presso la piattaforma Neutrino del CERN. I risultati mostrano che il rilevatore funziona con un'efficienza superiore al 99%, rendendolo non solo il più grande, ma anche la camera di proiezione del tempo ad argon liquido più performante fino ad oggi. Gli scienziati ora stanno usando le loro scoperte per perfezionare le loro tecniche sperimentali e prepararsi per la costruzione dell'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino presso la Long-Baseline Neutrino Facility, un programma sperimentale di neutrini di nuova generazione ospitato dal Fermilab del Dipartimento dell'Energia negli Stati Uniti.

"Questi primi risultati sono una grande notizia per noi, " ha dichiarato il co-portavoce di DUNE Stefan Söldner-Rembold, professore all'Università di Manchester nel Regno Unito. "Mostrano che il rilevatore ProtoDUNE-SP funziona anche meglio del previsto. Ora siamo pronti per la costruzione dei primi componenti per il rilevatore DUNE, che presenterà moduli rivelatori basati su questo prototipo, ma 20 volte più grande."

DUNE è un ambizioso esperimento internazionale che misurerà le proprietà di minuscole particelle fondamentali chiamate neutrini. I neutrini sono la particella di materia più abbondante nell'universo, ma poiché interagiscono raramente con altre particelle, sono incredibilmente difficili da studiare. Esistono almeno tre diversi tipi di neutrini, e, ogni secondo, 65 miliardi di loro passano attraverso ogni centimetro quadrato della Terra. Mentre viaggiano, fanno qualcosa di particolare:cambiano da un tipo all'altro. Gli scienziati pensano che queste oscillazioni di neutrini, così come le oscillazioni che coinvolgono i neutrini di antimateria, potrebbero aiutare a rispondere ad alcune delle grandi domande della fisica, come l'asimmetria materia-antimateria osservata nell'universo. DUNE cercherà anche i neutrini dalle supernovae e cercherà rari processi subatomici come il decadimento del protone.

"ProtoDUNE-SP mostra che possiamo ampliare questo tipo di tecnologia fino alle dimensioni e alla risoluzione di cui abbiamo bisogno per mettere finalmente i neutrini sotto un microscopio molto potente, " disse Marzio Nessi, coordinatore della piattaforma CERN Neutrino.

La misurazione precisa di queste oscillazioni limiterà e addirittura escluderà alcuni modelli teorici e aprirà nuove strade per scoprire ed esplorare rari fenomeni subatomici. Ma per ottenere quelle misurazioni precise, gli scienziati hanno bisogno di incredibilmente grandi, rivelatori sensibili e affidabili.

"I risultati di ProtoDUNE mostrano che abbiamo progettato un rivelatore che ci consentirà di raggiungere i nostri obiettivi scientifici in DUNE, " disse Elizabeth Worcester, uno scienziato presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia e coordinatore della fisica DUNE.

DUNE è progettato per rivelare la natura delle oscillazioni dei neutrini sparando un intenso raggio di neutrini dal Fermilab vicino a Chicago attraverso 1, 300 chilometri (800 miglia) di terra e in quattro giganteschi moduli rivelatori sotterranei situati a 1,5 chilometri di profondità presso la struttura di ricerca sotterranea di Sanford nel South Dakota. Due rilevatori ProtoDUNE al CERN, uno basato su una monofase e l'altro basato su una tecnologia ad argon liquido a doppia fase, sono un passo avanti verso la costruzione degli enormi moduli di rilevamento DUNE, ciascuno riempito con 17, 000 tonnellate di argon liquido. La relazione di progettazione tecnica DUNE, pubblicato a febbraio, è il progetto per costruire questi moduli.

Al CERN, Gli scienziati DUNE di tutto il mondo hanno utilizzato raggi cosmici e un fascio di prova da 800 GeV per valutare il rivelatore ProtoDUNE-SP. Il raggio di prova dell'acceleratore SPS del CERN è passato attraverso due bersagli separati per creare fasci di elettroni, protoni e altri tipi di particelle. I rilevatori di particelle situati appena fuori ProtoDUNE hanno misurato l'energia e l'identità di queste particelle del fascio di prova prima che entrassero in ProtoDUNE-SP. All'interno del rivelatore, delicati piani di fili intervallati da rilevatori di fotoni pendono all'interno di 800 tonnellate di trasparente, argon liquido. Quando una particella passante interagisce con l'argon, fa cadere elettroni sciolti che vengono attirati da un campo elettrico ad alta tensione per diversi metri sui piani di filo vicino alle pareti del rivelatore. Dal segnale sui fili, gli scienziati creano un'immagine 3D della traiettoria della particella e possono determinarne l'energia e l'identità. Confrontando queste informazioni dall'interno di ProtoDUNE-SP con le proprietà note della particella del fascio di prova originale, sono stati in grado di calibrare con precisione l'apparato e ottimizzare il complesso software di ricostruzione.

Proprio come la qualità di una foto varia in modo significativo in base alla qualità della fotocamera e del software di editing di un fotografo, la qualità dei dati fisici è buona quanto quella del rivelatore e dei suoi strumenti di ricostruzione. Gli scienziati che lavorano su ProtoDUNE-SP hanno imparato dai precedenti esperimenti sui neutrini e hanno raggiunto un livello di prestazioni che prima era impossibile. Tutti i dati del rilevatore contengono piccole variazioni, chiamato rumore, che a volte può essere difficile da distinguere dai segnali creati dalle particelle. Questo è un problema comune a tutti gli esperimenti di fisica, e gli scienziati pensano costantemente a modi innovativi per migliorare la qualità dei dati attraverso una combinazione di aumento della forza del segnale e riduzione della quantità di rumore. In questo primo articolo DUNE, gli scienziati mostrano come sono stati in grado di raggiungere un rapporto segnale-rumore di 50 a 1, che in precedenza era impossibile ottenere per le camere a proiezione temporale dell'argon liquido. Hanno anche valutato l'affidabilità del rilevatore e hanno scoperto che oltre il 99% dei suoi 15, 360 canali di rilevamento funzionano come dovrebbero.

"Se alcuni canali in un rilevatore non funzionano, gli scienziati ottengono lacune nei loro dati, " disse Tingjun Yang, un collaboratore DUNE al Fermilab che ha guidato l'analisi dei dati di ProtoDUNE. "Gli strumenti di analisi dei dati possono aiutare a colmare queste lacune, ma c'è un limite. Il numero di canali inattivi in ​​ProtoDUNE è inferiore all'1%, dandoci una ricostruzione dell'evento altamente efficiente. ProtoDUNE-SP dimostra che possiamo raggiungere e superare i nostri obiettivi di fisica."