Un secolo fa, i fisici non sapevano dell'esistenza dei neutrini, il più abbondante, particelle subatomiche sfuggenti ed eteree della materia nell'universo.

Nonostante siano abbondanti, ogni singolo neutrino è quasi privo di massa. Tuttavia, "formano molti aspetti dell'universo come lo conosciamo, " disse Hirohisa Tanaka, professore di fisica delle particelle e astrofisica alla Stanford University e al SLAC National Accelerator Laboratory.

Ecco perché Tanaka e più di 1, 000 altri ricercatori provenienti da oltre 30 nazioni sono impegnati nel Deep Underground Neutrino Experiment, o DUNE, ospitato dal Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia.

"Miliardi di neutrini possono attraversarti senza che tu te ne accorga, quindi sono molto difficili da reperire e da studiare, "ha detto Alfons Weber, professore di fisica all'Università di Oxford.

I neutrini sono di tre tipi che si trasformano l'uno nell'altro:elettrone, muone e tau, e ognuno ha un cugino di antimateria. DUNE utilizzerà due rilevatori di particelle separati da 800 miglia (1, 300 chilometri) per misurare come si trasformano i neutrini, o oscillare, mentre viaggiano nello spazio, materia e tempo. Il vicino rilevatore DUNE, situato al Fermilab fuori Chicago, misurerà i neutrini e come interagiscono prima che oscillino. Il rivelatore lontano DUNE, essere situato presso il Sanford Underground Research Facility in South Dakota, li osserverà dopo l'oscillazione.

Il progetto è ambizioso nella sua portata internazionale e negli obiettivi scientifici. Potrebbe fornire nuove informazioni sulla miscelazione sbilanciata di materia e antimateria, il fenomeno che ha reso possibile la formazione della materia nell'universo. Una scoperta così importante richiederà che entrambi i rivelatori lavorino in tandem.

"A causa dell'oscillazione, la metodologia consiste nel misurare il fascio di neutrini nel sito vicino e poi nel sito lontano e confrontare i due comportamenti, ", ha affermato Luca Stanco dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, spesso indicato con il suo acronimo italiano, INFN. "E' fondamentale avere sotto controllo tutte le caratteristiche del fascio di neutrini nel rivelatore vicino, da dove proviene il raggio."

Hirohisa Tanaka, Alfons Weber, Luca Stanco, l'Università di Berna Michele Weber, e Alan Bross e Jennifer Raaf del Fermilab giocano un ruolo chiave nello sviluppo dei componenti che catturano i neutrini del rivelatore vicino DUNE.

Tre sottorivelatori

Basandosi sulle lezioni apprese da precedenti esperimenti, i design dei rilevatori sono diventati più sofisticati. Il vicino rilevatore DUNE, da installare a circa 600 metri da dove vengono prodotti i neutrini negli acceleratori del Fermilab, sarà composto da tre sottorivelatori che siederanno uno accanto all'altro.

Uno dei sottorivelatori, noto come SABBIA, con i suoi 15, 000 chilometri (9, 320 miglia) di fibre scintillatori e i suoi 5, 000 fotomoltiplicatori, rileverà i neutrini con un calorimetro elettronico, che misura l'energia delle particelle, e un localizzatore, che registra i momenti e la carica delle particelle. Un secondo sottorivelatore, basato sulla tecnologia ArgonCube sviluppata presso l'Università di Berna in Svizzera, utilizzerà l'argon liquido per imitare le interazioni dei neutrini nel rivelatore lontano, e il terzo utilizzerà argon gassoso. Lavorare insieme, misureranno le particelle con una precisione maggiore di quella che altri rivelatori di neutrini sono in grado di raggiungere.

"È un sistema molto complicato, " disse Stanco, che guida il gruppo di lavoro su SAND.

SAND siederà direttamente nel percorso del fascio di neutrini per misurarne la stabilità e la composizione. I due rilevatori a base di argon, nel frattempo, sarà mobile, in grado di sedersi direttamente nel percorso del raggio o di essere inclinato su un lato. I diversi angoli di visione consentiranno a questi rivelatori di misurare come cambiano le interazioni dei neutrini al variare dell'energia delle particelle.

Il sottorivelatore di argon liquido funzionerà allo stesso modo del rivelatore lontano molto più grande di DUNE:quando i neutrini interagiscono con l'argon liquido, l'interazione creerà particelle cariche che verranno rilevate da componenti elettronici che amplificano, digitalizzare e quindi inviare segnali a un computer dove è possibile ricostruire le informazioni contenute nei segnali.

Diverse generazioni precedenti di esperimenti sui neutrini hanno portato a un'evoluzione nella progettazione del rivelatore di neutrini. Quando furono progettati i rivelatori per quei primi esperimenti, "Non avevamo idea di quanto poco capissimo come interagiscono i neutrini e tutti i diversi effetti che dobbiamo studiare per effettuare una misurazione robusta, ", ha detto Alfons Weber.

I rivelatori di argon liquido hanno bisogno di masse di molti kilotoni per aumentare le loro possibilità di osservare le interazioni dei neutrini.

"Parliamo sempre che i neutrini sono elusivi e difficili da rilevare, " disse Tanaka, il cui team SLAC fornirà i componenti chiave del sottorivelatore di argon liquido. "Ne vedi solo alcuni e solo molto raramente."

L'opposto si applicherà al rivelatore vicino. Là, "il raggio di neutrini che stiamo producendo è così intenso che nel sottorivelatore di argon liquido vedremo qualcosa come 50 interazioni in un milionesimo di secondo, " Egli ha detto.

La sfida così creata è quella di identificare i singoli neutrini, le loro energie e i loro tipi a una velocità che corrisponda al flusso di neutrini che vedrà il rivelatore vicino.

Per acquisire tali dati, il sottorivelatore ad argon liquido consisterà in una serie di 35 moduli più piccoli funzionanti in modo quasi indipendente. Ciascun modulo dell'array avrà una massa di circa tre tonnellate. Quando l'alta tensione viene applicata al volume di argon liquido, gli elettroni altrimenti passivi negli atomi di argon vengono liberati e iniziano a muoversi verso una serie di elementi di rilevamento.

L'argon liquido, raffreddato a quello stato dalla sua forma gassosa, è così denso che le particelle a energia più bassa sfuggono alla sua rilevazione. Per catturare quelle particelle fuggite, il sottorivelatore di gas argon si trova accanto alla sua controparte di argon liquido. Nel gas argon si verificheranno molte meno interazioni di neutrini a causa della sua minore densità.

"Puoi misurare altre cose nel sottorilevatore di argon-gas che non puoi misurare nel sottorivelatore di argon liquido, " ha detto Weber. Ciò include la misurazione degli effetti delle interazioni dei neutrini sui nuclei di argon, un processo che crea incertezza nelle misurazioni dell'oscillazione del neutrino.

Cerca nuove particelle

I tre sottorivelatori che lavorano in combinazione consentiranno ai fisici di cercare fenomeni che vanno oltre i limiti delle leggi fisiche conosciute. Poiché l'acceleratore di particelle Main Injector del Fermilab genera neutrini che passano attraverso il rivelatore vicino a DUNE, "potrebbero essere prodotte anche altre particelle, particelle di cui ancora non sappiamo nulla, " Weber ha detto. "Anche altre particelle potrebbero essere prodotte, particelle di cui non sappiamo ancora nulla".

I neutrini pesanti e i fotoni oscuri rientrano in questa categoria. L'esistenza di neutrini pesanti potrebbe spiegare il fatto sconcertante che i neutrini conosciuti abbiano una massa minuscola, e la loro scoperta potrebbe aiutare a spiegare la natura della materia oscura. I fotoni oscuri sarebbero i cugini invisibili dei fotoni regolari, che sono particelle elettromagnetiche. Il rilevamento di fotoni oscuri, se esistono, potrebbe illuminare l'ampia ma attualmente invisibile parte del settore oscuro dell'universo.

E poi c'è l'imprevisto.

"Penso e spero che avremo una sorpresa nel risultato della fisica, " ha detto Stanco.