La collaborazione Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, che otto anni fa ha effettuato una misurazione precisa di un'importante proprietà del neutrino, preparando il terreno per un nuovo ciclo di esperimenti e scoperte su queste particelle difficili da studiare, ha finito di raccogliere dati. Sebbene l'esperimento si stia ufficialmente chiudendo, la collaborazione continuerà ad analizzare il suo set di dati completo per migliorare la precisione dei risultati basati su misurazioni precedenti.

L'esperimento ha raccolto dati sufficienti nei suoi primi 55 giorni di attività per annunciare un'importante scoperta all'inizio di marzo 2012. Per celebrare questo successo e altri che sono seguiti, la collaborazione di Daya Bay e i funzionari dell'agenzia scientifica parteciperanno a una cerimonia il 12 dicembre, per segnare la fine delle operazioni sul sito (vedi i dettagli dell'evento di seguito).

La partnership internazionale consente il successo dell'esperimento

Operando in uno spazio sotterraneo cavernoso contenente una serie di grandi, rilevatori di particelle simili a tamburi immersi in grandi pozze d'acqua nel Guangdong, Cina, l'esperimento è stato costruito attraverso uno sforzo internazionale che ha caratterizzato una partnership paritaria unica nel suo genere in un importante progetto di fisica tra Stati Uniti e Cina. L'Istituto di fisica delle alte energie (IHEP) dell'Accademia cinese delle scienze con sede a Pechino guida il ruolo della Cina nella collaborazione, mentre il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e il Brookhaven National Laboratory (Brookhaven Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti guidano insieme la partecipazione degli Stati Uniti.

"Siamo così felici di vedere il successo dell'esperimento, che ha fatto importanti scoperte scientifiche, " disse Yi-Fang Wang, un ex portavoce della collaborazione Daya Bay che ora è direttore di IHEP. "La collaborazione è davvero internazionale, e le lezioni che abbiamo imparato qui sono inestimabili. Non vediamo l'ora di altre collaborazioni in futuro".

IHEP ha supervisionato la costruzione del sito sperimentale e metà dei rivelatori di Daya Bay, con la collaborazione degli Stati Uniti che rappresenta l'altra metà. Ci sono stati anche contributi significativi da parte di scienziati e istituzioni a Taiwan e Hong Kong, e in Cile, Repubblica Ceca, e Russia.

"Questo è stato un esperimento di enorme successo e importante, " disse Kam-Biu Luk, il portavoce degli Stati Uniti per l'esperimento di Daya Bay e anche uno scienziato senior della facoltà al Berkeley Lab e un professore di fisica dell'UC Berkeley. "Le misurazioni e le scoperte di precisione a Daya Bay sono state rese possibili dalla straordinaria collaborazione tra Stati Uniti e Cina e tutti i nostri partner internazionali".

Gli otto rilevatori di Daya Bay sono progettati per captare segnali luminosi all'interno dei liquidi scintillanti che contengono. Questi segnali sono generati dalle interazioni con gli antineutrini in streaming da sei reattori nelle vicine centrali nucleari di Daya Bay e Ling Ao.

I reattori nucleari producono un numero enorme di antineutrini attraverso il processo di fissione nucleare, e lo fanno in modo controllato con precisione, il che rende i reattori un luogo eccellente per condurre esperimenti sui neutrini e raccogliere misurazioni di alta precisione.

Gli antineutrini sono le antiparticelle dei neutrini, particelle subatomiche abbondanti che attraversano la maggior parte della materia ininterrottamente, quindi sono difficili da rilevare. Negli ultimi sette decenni, gli scienziati hanno fatto grandi progressi nella progettazione di rivelatori per captare i segnali sfuggenti di queste particelle "fantasma".

"I rilevatori Daya Bay funzionano molto bene, superando le nostre aspettative, " ha affermato Steve Kettell, capo scienziato degli Stati Uniti di Daya Bay, del Brookhaven Lab. "Questo successo è fondamentale per la nostra scoperta".

Alla ricerca del theta 13

Situato in tre sale sotterranee entro un miglio dai sei reattori, l'esperimento di Daya Bay è stato progettato per misurare una proprietà relativa alle trasformazioni delle particelle, o oscillazioni, tra tre diverse tipologie, detti "sapori":elettrone, muone, e tau. Daya Bay è stato il primo esperimento a misurare con successo, con certezza, un "angolo di miscelazione" chiamato theta 13. Questo angolo di miscelazione definisce la velocità con cui i neutrini si trasformano nei tre sapori. Dalla sua prima misurazione nel 2012, la precisione nella misurazione theta 13 di Daya Bay è migliorata di sei volte.

Per determinare theta 13, gli scienziati hanno misurato quanti neutrini di un sapore specifico, in questo caso, antineutrini elettronici:venivano prodotti dai reattori vicini. Da quel numero hanno potuto determinare quanti antineutrini elettronici dovrebbero aspettarsi di misurare utilizzando i grandi rivelatori di Daya Bay. Quindi, hanno confrontato la stima con quella effettiva, numero misurato.

La misura theta 13, e altri due angoli di mescolamento misurati da esperimenti precedenti, aiutaci a capire il ruolo svolto dai neutrini nell'evoluzione del nostro universo. Se gli scienziati osservano una differenza in alcune proprietà dei neutrini rispetto agli antineutrini, potrebbe aiutare la nostra comprensione dell'eccesso di materia rispetto all'antimateria nell'universo.

Gli scienziati di Daya Bay stanno ora conducendo un'analisi dei dati degli interi nove anni di attività dell'esperimento. Questa analisi consentirà misurazioni migliori delle proprietà dei neutrini, inclusa una nuova precisione su theta 13 che difficilmente verrà superata nei decenni a venire.

Bonus inaspettato

"La produttività scientifica di Daya Bay è andata ben oltre la nostra immaginazione, ", ha dichiarato il co-portavoce di Daya Bay Jun Cao, di IHEP. "Oltre a fissare il valore di theta 13, una caratteristica sorprendente è emersa nello spettro antineutrino del reattore misurato con i dati di alta qualità di Daya Bay".

Un eccesso locale di antineutrini - circa il 10% al di sopra delle aspettative teoriche ad un'energia di circa 5 milioni di elettronvolt (5 MeV) - si mostra chiaramente, ben oltre le incertezze. L'origine di questa discrepanza non è ancora chiara e richiede ulteriori studi.

Nel frattempo, la determinazione della resa dell'antineutrino dall'esperimento di Daya Bay ha anche trovato un probabile sospetto per spiegare una cosiddetta "anomalia dell'antineutrino del reattore" - misurazioni di meno antineutrini di quanto ci si aspettasse nei siti di molti diversi reattori nucleari. Mentre una possibilità per questa anomalia era che alcuni antineutrini si fossero trasformati in un ipotetico quarto tipo di neutrino chiamato neutrino sterile, I ricercatori di Daya Bay hanno scoperto che era molto probabilmente dovuto a modelli incompleti del tasso previsto di produzione di antineutrino per un componente del combustibile del reattore nucleare.

Inoltre, team di scienziati di due importanti esperimenti che studiano le oscillazioni dei neutrini, l'esperimento Daya Bay e l'esperimento MINOS+ presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE, hanno unito le forze per produrre un'altra analisi che ha ampiamente escluso qualsiasi possibilità di neutrini sterili nei loro dati.

Implicazioni delle misurazioni

"L'angolo di miscelazione theta 13, che molti scienziati sospettavano fosse zero, fortunatamente si è scoperto che era molto più grande di quanto ci aspettassimo quando abbiamo pianificato l'esperimento, "Luca ha detto che ha permesso agli scienziati di estrarre con precisione la frequenza di oscillazione e confermare la teoria dell'oscillazione del neutrino. Questo è di buon auspicio per altri esperimenti sui neutrini attivi e futuri che tenteranno di misurare l'ordinamento delle masse dei diversi neutrini, Per esempio.

Potrebbe anche giovare agli esperimenti che esplorano la possibile rilevanza dei neutrini per lo squilibrio materia-antimateria dell'universo. I fisici ritengono che i neutrini possano aver giocato un ruolo in questo squilibrio attraverso la violazione di una legge fisica fondamentale nota come violazione della parità di carica (CP). Questa violazione implica che una particella e la sua antiparticella si comportano in modo diverso.

La misurazione theta 13 di Daya Bay è la misurazione più precisa finora tra le tre misurazioni dell'angolo di miscelazione relative alle oscillazioni dei neutrini. La collaborazione Daya Bay è stata riconosciuta per il successo nella misurazione precisa del theta 13 con l'assegnazione del prestigioso Breakthrough Prize 2016 in Fundamental Physics.

"Ora che sappiamo che theta 13 non è zero, abbiamo sviluppato nuovi modi per studiare l'ordinamento di massa dei neutrini. Ci consente anche di cercare la violazione di CP negli esperimenti attuali e futuri, " disse Kettell.

Esperimenti esistenti nell'oscillazione del neutrino, come T2K in Giappone e NOvA al Fermilab, beneficiare di questa misurazione, ha notato, così come l'Osservatorio dei neutrini sotterranei di Jiangmen (JUNO), un esperimento di nuova generazione che inizierà presto a raccogliere dati in Cina, il progetto Long Baseline Neutrino Facility/Deep Underground Neutrino Experiment (LBNF/DUNE) in costruzione al Fermilab, e l'imminente esperimento Hyper-Kamiokande in Giappone.