I neutrini e gli antineutrini sono particelle quasi prive di massa prodotte in molte reazioni nucleari, tra cui la fissione dell'uranio nelle centrali nucleari sulla Terra e le reazioni di fusione al centro del sole.
Ma sono diabolicamente difficili da rilevare (la maggior parte attraversa la Terra senza fermarsi), rendendo difficile studiare le reazioni nucleari che hanno luogo nel nucleo delle stelle o nelle esplosioni stellari o monitorare le centrali nucleari per la produzione illecita di materiale bomba.
Un nuovo tipo di rilevatore di neutrini ora in fase di test in un vasto laboratorio sotterraneo presso l’Università della California, Berkeley, è progettato per sfruttare le ultime tecnologie per migliorare la sensibilità e le capacità dei rilevatori di antineutrini. Tali rilevatori migliorati non solo aiuterebbero a rilevare, localizzare e caratterizzare materiale nucleare speciale non dichiarato utilizzato contrariamente alle normative federali o internazionali, ma aiuterebbero anche gli scienziati a esplorare la fisica fondamentale delle particelle e le loro interazioni nelle profondità del nucleo dell'atomo.
Chiamato Eos, dal nome della dea Titana dell'alba, l'apparato segnala "l'alba di una nuova era della tecnologia di rilevamento dei neutrini", secondo Gabriel Orebi Gann, professore associato di fisica alla UC Berkeley e leader della collaborazione Eos.
Il prototipo del rilevatore può rilevare e caratterizzare attività e materiali nucleari a distanza, cioè a distanze superiori a circa 100 metri. Mentre la radioattività del materiale nucleare può essere protetta dal rilevamento, gli antineutrini prodotti nelle reazioni di fissione non possono farlo. Poiché in un reattore ne vengono prodotti miliardi ogni nanosecondo, Eos dovrebbe essere in grado di rilevare un numero sufficiente di antineutrini per identificare la produzione clandestina di materiale adatto alle bombe.
"L'idea del rilevamento dei neutrini è che non puoi falsificarlo, non puoi proteggerlo, non puoi falsificarlo. I neutrini viaggiano quasi alla velocità della luce, quindi forniscono un rilevamento quasi istantaneo, anche a distanza. offrono una firma unica dell'attività nucleare", ha affermato Orebi Gann, che è anche uno scienziato della facoltà presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).
"Se sei molto lontano o hai una firma molto debole, allora hai bisogno di un rilevatore grande. E per un rilevatore grande, hai bisogno di liquido."
Eos è un cilindro alto 10 metri e largo 5, riempito con acqua e uno scintillatore organico e circondato da rilevatori di luce tre volte più sensibili di quelli utilizzati oggi negli esperimenti di fisica. La sensibilità migliorata e la risoluzione più elevata di Eos derivano dalla combinazione di due delle migliori tecniche odierne per rilevare i neutrini:scintillazione ed emissione Cherenkov.
I miglioramenti potrebbero rappresentare un punto di svolta per i futuri progetti di fisica dei neutrini, come il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) ora in costruzione in una miniera d’oro abbandonata a Lead, nel South Dakota, per rilevare i neutrini emessi da un acceleratore di particelle presso il Fermi National Laboratory. , a 500 miglia di distanza nell'Illinois. UC Berkeley e Berkeley Lab sono membri della collaborazione DUNE.
"Ciò che vorremmo costruire alla fine è un rilevatore molto più grande chiamato Theia", ha detto. "Theia è la dea Titano della luce e la madre di Eos nel pantheon degli dei. Il luogo ideale per Theia è in quella miniera nel Sud Dakota, dove vedono i neutrini del Fermilab."
Resta da vedere se Theia, che impiegherebbe un serbatoio abbastanza grande da quasi inghiottire la Statua della Libertà, sostituirà uno dei quattro rilevatori "lontani" di argon liquido previsti da DUNE.
Orebi Gann sostiene che un rilevatore ibrido come Theia, pur fornendo una sensibilità comparabile per studiare il fascio di neutrini ad alta energia che è l'obiettivo principale di DUNE, aggiungerebbe nuove funzionalità oltre a un rilevatore di argon, inclusa la capacità di rilevare gli antineutrini. Theia avrebbe anche una precisione di puntamento di 2 gradi per la localizzazione di una supernova attraverso l'esplosione di neutrini e avrebbe la capacità di cercare neutrini solari a bassa energia e neutrini di Majorana.
Eos è unico in quanto è un ibrido tra i due principali tipi di rilevatori di neutrini liquidi, entrambi i quali iniziano con un serbatoio di liquido.
Una tecnica si basa su uno scintillatore, in questo caso un alchilbenzene lineare, che emette luce in risposta alle particelle cariche prodotte durante le interazioni con un neutrino o un antineutrino.
I neutrini e gli antineutrini possono anche interagire con altri materiali, come l’acqua, per produrre un elettrone, che poi emette luce propria, sebbene molto più debole della luce di scintillazione. Quest'ultima è chiamata radiazione Cherenkov e viene emessa quando l'elettrone attraversa il liquido a una velocità superiore a quella della luce nel liquido, simile all'energia acustica di un boom sonico prodotto da un aereo che viaggia a una velocità superiore a quella del suono.
In entrambe le tecniche, rilevatori di luce sensibili chiamati tubi fotomoltiplicatori sono disposti attorno al serbatoio per registrare l'intensità della debole luce. L'intensità della scintillazione fornisce informazioni sull'energia del neutrino o dell'antineutrino.
La radiazione Cherenkov, tuttavia, viene emessa in un cono, quindi può fornire informazioni sulla direzione da cui proviene il neutrino, un'informazione fondamentale per studiare le sorgenti dei reattori nucleari e le sorgenti dei neutrini cosmici.
"I tubi fotomoltiplicatori sono sensibili ai livelli di luce del singolo fotone", ha detto Orebi Gann. "Ma uno scintillatore liquido ti dà molta più luce:se hai un elettrone alla stessa energia, otterrai 50 volte più luce, a seconda dello scintillatore, rispetto all'emissione Cherenkov. Ciò significa che ottieni una migliore precisione per capire dove era depositata l'energia e quanta energia c'era."
"Abbiamo detto, OK, non vogliamo scegliere. Non ci piacciono i compromessi. Vogliamo entrambi. E questo è l'obiettivo qui. Vogliamo la topologia della luce Cherenkov, ma la risoluzione della scintillazione", ha detto .
Il problema è che la luce della scintillazione è così brillante da sopraffare la luce Cherenkov.
Fortunatamente, la luce Cherenkov esce in un lampo di picosecondi, mentre la luce scintillante indugia per nanosecondi.
"Se disponi di rilevatori di fotoni molto veloci, puoi utilizzare la differenza di tempo per separare queste due firme", ha affermato. Eos circonderà il serbatoio del liquido con 242 tubi fotomoltiplicatori realizzati dall'azienda giapponese Hamamatsu che sono tre volte più veloci degli attuali fotomoltiplicatori.
La regione visibile della luce Cherenkov ha uno spettro di colori più rosso rispetto alla luce a scintillazione, che è prevalentemente blu. Il team ne approfitta circondando la prima fila di fotomoltiplicatori con un filtro "dicroico" che riflette la luce Cherenkov rossa nel fotomoltiplicatore ma lascia passare la luce scintillante blu ai fotomoltiplicatori nella parte posteriore.
"Fondamentalmente stai ordinando i tuoi fotoni per lunghezza d'onda e li dirigi verso diversi rilevatori di fotoni in base alla lunghezza d'onda", ha detto.
Orebi Gann e il suo team hanno iniziato ad assemblare Eos a settembre, ritardato di sei settimane dalla distruzione del primo serbatoio d'acciaio quando il camion che lo trasportava si è scontrato con un cavalcavia. I serbatoi sono così grandi che i ricercatori hanno dovuto ospitare l'esperimento in un grande laboratorio sotterraneo, precedentemente occupato da un reattore nucleare, gestito dal Dipartimento di ingegneria nucleare dell'UC Berkeley.
Hanno circondato il serbatoio acrilico con i tubi fotomoltiplicatori, quindi hanno sollevato l'intero assieme in un serbatoio cilindrico d'acciaio. Il serbatoio acrilico interno e lo spazio tra i serbatoi acrilico e acciaio sono stati quindi riempiti con acqua pura, immergendo i tubi fotomoltiplicatori nello spazio.
Una volta che il team avrà testato la capacità di Eos di rilevare la luce Cherenkov da fonti radioattive artificiali e muoni cosmici naturali, aggiungerà gradualmente materiale scintillatore per testare la capacità dell'esperimento di discriminare tra i due tipi di emissioni di luce.
"Abbiamo anche progettato il nostro rilevatore in modo da poter utilizzare uno scintillatore liquido puro", ha affermato Orebi Gann. "Questo sarebbe il test definitivo:se potessimo ancora vedere la firma di Cherenkov anche con la massima componente di scintillazione."
I piani richiedono di esplorare la capacità di Eos di monitorare piccoli reattori modulari e navi marittime a propulsione nucleare e di verificare la trasparenza dei siti di test.
Orebi Gann è ansioso di utilizzare il progetto Eos anche negli studi generali di fisica dei neutrini, come misurare il flusso di neutrini dal nucleo del sole per verificare le reazioni nucleari previste che lo alimentano; indagini su sorgenti terrestri di neutrini; mappatura del diffuso fondo di neutrini della supernova nella Via Lattea e oltre; e la continua ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini, che indicherebbe che un neutrino è la propria antiparticella.
Tutte queste domande sono già in fase di studio con lo scintillatore o con i rilevatori Cherenkov, ma Orebi Gann spera che un rilevatore ibrido possa accelerare il progresso.
"Lo stesso tipo di fisica che ciascuno di questi rilevatori ha realizzato in passato, potremmo farlo meglio", ha detto. "Questo è l'obiettivo. Ricerca e sviluppo per la prossima generazione."
Fornito dall'Università della California - Berkeley
