Con una direttiva per cercare la fisica oltre il modello standard e studiare il comportamento delle particelle più sfuggenti dell'universo, il programma Short-Baseline Neutrino del Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha un piatto pieno.

Composto da tre rivelatori:il rivelatore vicino alla linea di base corta, MicroBooNE e ICARUS:il programma amplierà le attività di ricerca sui neutrini del Fermilab, acclamate a livello internazionale. Studiando le proprietà dei neutrini con questi rivelatori, gli scienziati impareranno di più sul ruolo che queste minuscole particelle svolgono nell'universo.

Nel campus del Fermilab, i tre rivelatori siederanno sfalsati lungo una linea retta, ciascuno sondando un intenso fascio di neutrini. SBND, in costruzione, sarà il più vicino alla sorgente del fascio di neutrini, a soli 110 metri dall'area in cui i protoni si schiantano contro un bersaglio e creano un fascio di neutrini muonici. MicroBooNE, che ha iniziato a raccogliere dati nel 2015, si trova a 360 metri da SBND, e ICARO, che inizierà la sua corsa fisica questo autunno, si trova a 130 metri oltre MicroBooNE.

Insieme, questi rivelatori studieranno le oscillazioni dei neutrini con dettagli senza precedenti. In questo processo, un singolo neutrino può spostarsi tra i tre tipi di neutrini conosciuti mentre viaggia nello spazio. Se esiste un quarto tipo di neutrino o se i neutrini si comportano diversamente da quanto predice la teoria attuale, gli scienziati si aspettano di trovare prove di questa nuova fisica nei modelli di oscillazione dei neutrini osservati dai tre rivelatori.

Una volta completato, il rivelatore dell'SBND sarà sospeso in una camera piena di argon liquido. Quando un neutrino entra nella camera e si scontra con un atomo di argon, emetterà uno spruzzo di particelle cariche e luce, che il rilevatore registrerà. Questi segnali forniranno agli scienziati le informazioni per ricostruire un'immagine 3D precisa delle traiettorie di tutte le particelle emerse da una collisione neutrino-argon.

"Vedrai un'immagine che ti mostra così tanti dettagli, e su così piccola scala, " ha detto la scienziata Anne Schukraft, coordinatore tecnico del progetto. "Se lo confronti con gli esperimenti della generazione precedente, apre davvero un nuovo mondo di ciò che puoi imparare."

Ricaricarsi

Nei circuiti alimentati a batteria, gli elettroni scorrono tra i terminali negativo e positivo. In SBND, gli elettroni prodotti a seguito delle collisioni di neutrini seguiranno il campo elettrico creato all'interno del rivelatore:due piani anodici e un piano catodico caricato negativamente. Questo non è un piccolo circuito, però. Ogni aereo misura 5 per 4 metri, e il campo elettrico tra il catodo e ciascun anodo sarà di 500 volt per centimetro, con il catodo che conduce un enorme 100, 000 volt.

I due piani anodici, ciascuno fatto di fili delicati distanziati di 3 millimetri l'uno dall'altro, coprirà due pareti opposte del rivelatore a forma di cubo. Raccoglieranno gli elettroni creati dalle particelle che emergono dalle collisioni all'interno del rivelatore, mentre i sensori di luce dietro di loro registreranno i fotoni, o particelle di luce.

Al centro del rivelatore, un piano verticale coperto da una pellicola riflettente fungerà da catodo. Il team di assemblaggio ha abbassato il pesante piano del catodo in posizione nel telaio in acciaio del rivelatore alla fine di luglio e prevede di installare il primo piano dell'anodo all'inizio di ottobre. Fino all'installazione, ciascuno degli strati fotosensibili è mantenuto in una speciale area pulita controllata.

Quando completamente assemblato, il rivelatore peserà più di 100 tonnellate e sarà riempito di argon mantenuto a meno 190 gradi Celsius. L'intero apparato siederà in un criostato, realizzato in acciaio di grosso spessore e pannelli isolanti che mantengono tutto freddo. Un complicato sistema di tubazioni farà circolare e filtrerà l'argon liquido per mantenerlo pulito.

Scienziati del neutrino, assemblare

Diversi gruppi in tutto il mondo, principalmente con sede negli Stati Uniti, il Regno Unito., Brasile e Svizzera hanno costruito le parti del rilevatore e le hanno spedite al Fermilab. Ma l'edificio simile a un magazzino in cui viene assemblato il telaio del rilevatore non è la casa per sempre del rilevatore.

Una volta che i componenti sono posizionati nel telaio in acciaio, il team trasporterà il rilevatore per diverse miglia attraverso il sito del Fermilab fino all'edificio SBND, dove le squadre stanno costruendo il criostato e dove il rivelatore raccoglierà effettivamente i suoi dati. Schukraft stima che SBND farà il suo debutto sui dati all'inizio del 2023.

"La cosa buona di SBND è che lo stiamo costruendo da zero, " disse Monica Nunes, un ricercatore post-dottorato presso la Syracuse University. "Quindi tutto ciò che stiamo imparando su questo processo sarà davvero utile per la prossima generazione di esperimenti sui neutrini".

SBND integrerà MicroBooNE e ICARUS come tre sonde per la fisica oltre il modello standard. In particolare, i ricercatori stanno cercando il neutrino sterile, un tipo di neutrino che non interagisce con la forza debole. Due esperimenti precedenti, il Liquid Scintillator Neutrino Detector al Los Alamos National Lab e MiniBooNE al Fermilab, scoperte anomalie che suggeriscono l'esistenza di queste sfuggenti particelle. Misurando come i neutrini oscillano e cambiano i tipi, il Programma SBN mira a confermare o contestare queste anomalie e ad aggiungere ulteriori prove a favore o contro l'esistenza di neutrini sterili.

"L'idea è di attrezzare un rivelatore molto vicino alla sorgente dei neutrini nella speranza di catturare questo tipo di neutrino, "ha detto Roberto Acciarri, co-responsabile del gruppo rivelatore. "Quindi, abbiamo un rivelatore lontano e uno nel mezzo, per vedere se possiamo vedere neutrini sterili quando vengono prodotti e quando oscillano via."

I ricercatori SBND esamineranno anche con alta precisione come i neutrini interagiscono con gli atomi di argon che riempiono il rivelatore. Poiché SBND si trova così vicino all'origine del fascio di neutrini, registrerà più di un milione di interazioni neutrino-argon all'anno. La fisica di queste interazioni è un elemento importante dei futuri esperimenti sui neutrini che utilizzeranno rivelatori di argon liquido, come il Deep Underground Neutrino Experiment.

"È fantastico vedere progressi quasi ogni giorno, " ha detto Schukraft. "Stiamo tutti aspettando con impazienza di vedere questo esperimento iniziare a prendere dati".