Tutte le ricerche sul neutrino al FERMILAB

La divisione neutrino è  di casa per gli scienziati del Fermilab

e per il personale e gli utenti provenienti da istituzioni accademiche di tutto il mondo, che si occupano di funzionamento e di esperimenti sui neutrini, di analisi e progettazione di nuove ricerche.

MISSIONE

• Ospitare un programma leader mondiale di esperimenti sui neutrini
• Far funzionare il programma in corso: Nova
  
  , MicroBooNE, Minerva, MINOS +, Lariat
• Coordinare ed eseguire un nuovo programma internazionale di esperimenti sui neutrini a breve e lungo basali
• Fornire supporto alla comunità di utenti-neutrino di partecipare a tutti gli aspetti di questo programma
• Variare le competenze tecniche nella progettazione, direzione lavori, le operazioni, ecc per organizzare uffici e spazi di incontro

Lo studio dei neutrini

Le particelle subatomiche chiamate neutrini sono tra i più sfuggenti nel particolare regno delle particelle. Gli scienziati hanno costruito rivelatori sotterranei, sottomarini, e al Polo Sud per misurare queste particelle spettrali che provengono dal Sole, da supernovae e da molti altri oggetti celesti.

I neutrini riempiono l'intero universo, con circa 10 milioni per 28,32 dm 3, e la maggior parte di loro passa direttamente attraverso la Terra, e attraverso rivelatori di particelle, senza lasciare traccia. Quasi mai interagiscono con la materia, solo esperimenti massicci e sofisticati possono catturare e misurare le proprietà dei neutrini.

Oltre a misurare i neutrini dal cielo, i fisici sulla Terra, usando potenti acceleratori, producono fasci di neutrini che ne contengono miliardi, di cui una frazione molto piccola può essere misurata da rilevatori disposti in linea a questo fascio. Al Fermilab, l'esperimento di neutrini a base di acceleratore disposto a forma di ciambella ha portato, nel 2000, alla scoperta del neutrino tau , il terzo dei tre tipi noti di neutrini.

Il Numi linea di luce ed ilneutrino tau Neutrino linea di luce

 garantiscono fasci di neutrini ad alta intensità per esperimenti del Fermilab, come MINOS + e Minerva e, due nuovi esperimenti sui neutrini MicroBooNE e Nova . Il Fermilab Booster è un acceleratore di sincrotrone con una circonferenza di 474 metri. Il fascio viene iniettato nel Booster dalla linea di trasporto 400 MeV che trasporta l'uscita del fascio 400 MeV dall'acceleratore Linac. Il Booster accelera un fascio protonico da 400 MeV a 8 GeV in meno di 67 millisecondi per l'acceleratore principale dell'iniettore. Booster fornisce un fascio per le aree sperimentali di Fermilab.

L'esperimento MicroBooNE

Situata a Fermilab, la collaborazione di MicroBooNE sta attualmente operando una grande camera da proiezione di liquidi Argon (LAr TPC) di 170 tonnellate, situata sulla linea di fascio di neutrino di Booster al Fermilab. L'esperimento ha iniziato a raccogliere i dati di neutrino nell'ottobre 2015. MicroBooNE misurerà le sezioni trasversali di neutrino a bassa energia e indaga sugli eventi, a eccessi di energia ridotta, osservati dall'esperimento MiniBooNE. Il rilevatore funge anche da passo successivo del programma graduale per la costruzione di una scala di chilogrammi massicci LAr TPC per la futura fisica di neutrini a lungo termine (DUNE) ed è il primo rivelatore nel programma neutrino a breve termine di Fermilab.

 MINOS : L'esperimento MINOS

è un esperimento neutrino a lungo termine, progettato per osservare i fenomeni di oscillazioni del neutrino, effetto che è relativo alla massa di neutrino. MINOS utilizza due rivelatori, uno localizzato a Fermilab, alla fonte dei neutrini e l'altro situato a 450 miglia di distanza, nel Minnesota settentrionale, al Soudan Underground Mine State Park di Tower-Soudan. MINERvA

è il primo esperimento sul neutrino nel mondo ad usare un fascio ad alta intensità per studiare le reazioni dei neutrini con cinque nuclei differenti, creando il primo confronto autonomo delle interazioni in diversi elementi. Mentre questo tipo di studio è stato precedentemente fatto utilizzando fasci di elettroni, questo è il primo per i neutrini.

L’importanza dei neutrini

• La fisica delle particelle ha fatto grandi progressi nell'ultimo mezzo secolo sondando la metà con la modalità quark (una qualsiasi delle particelle subatomiche che trasportano una carica elettrica frazionata), postulata come elementi costitutivi degli adroni. I quark non sono stati osservati direttamente, ma le previsioni teoriche basate sulla loro esistenza sono state confermate sperimentalmente delle particelle fondamentali. Ora si propone un meccanismo simile per i neutrini. La miscelazione tra le 3 generazioni di neutrini sta cominciando a sembrare molto diverso alla sua controparte quark. Non sappiamo perché, ma probabilmente è importante. I neutrini potrebbe essere la chiave per comprendere il motivo per cui le particelle fondamentali esistono in 3 generazioni.
• I neutrini sono le vere stranezze delle particelle fondamentali (non solo interagiscono debolmente, sono ultra piccoli, ma hanno masse non-zero). La scienza avanza spesso quando si studiano le stranezze (per esempio: comprensione dei processi di vita in generale, studiando la vita attorno ai fori di acque profonde.)
• I neutrini interagiscono solo debolmente, ma sono le particelle più abbondanti nell'universo, con un ruolo fondamentale nell'evoluzione del nostro universo.
• Una differenza tra come i tipi di neutrini si mescolano e come il mix di tipi antineutrini si ritiene che siano la ragione per cui la materia domina l’anti-materia nel nostro universo (cioè perché esiste il mondo sulla Terra come lo conosciamo.)

PIP-II

Il progetto PIP II

consentirà un grande aumento del potere di fasci di protoni del Fermilab. Questo, a sua volta produrrà più potenti fasci di neutrini. Il piano di miglioramento del protone II (PIP-II) è il piano di Fermilab per fornire potenti fasci protonici ad alta intensità agli esperimenti del laboratorio. L'aumento della potenza del fascio posizionerà Fermilab come il principale laboratorio del mondo per gli esperimenti a base di acceleratori basati sul neutrino. PIP-II fornirà inoltre una piattaforma flessibile per ulteriore miglioramento del complesso acceleratore di Fermilab, per estendere questa leadership all'intera gamma di ricerche sulla fisica delle particelle basate su fasci intensi nei decenni successivi.

Il cuore del PIP-II è un acceleratore lineare superconduttivo 800-MeV, che capitalizza l'esperienza del laboratorio nelle tecnologie a radiofrequenza superconduttiva. Oltre ai modesti miglioramenti degli acceleratori principali dell'iniettore e del riciclatore di Fermilab, il linac superconduttore, chiamato SCL, fornirà il fascio protonico megawattato necessario per il sistema neutro a lungo termine.

PIP-II è previsto per fornire il fascio nella prima parte del prossimo decennio.

Con l’esperimento neutrino NOVA è stato osservato il primo antineutrino

, solo due ore dopo il complesso acceleratore del Fermilab ha saputo commutare l’antineutrino, in modo di consegna. La collaborazione Nova ha visto l'antineutrino nel rivelatore di gran lunga più lontano dell'esperimento, che si trova nel nord del Minnesota. Si spera su Nova per saperne di più su come e perché si registra  il cambiamento dei neutrini tra un tipo e l'altro. I tre tipi, chiamati sapori, sono il muone, elettrone e neutrino tau. Sulle lunghe distanze, i neutrini possono cambiare fra questi sapori. Nova è stato  specificamente progettato per studiare i neutrini muonici

 che cambiano in neutrini elettronici. Svelare il mistero può aiutare gli scienziati a capire il motivo per cui l'universo è composto di materia e perché che la materia non è stato annientato dalla antimateria dopo il Big Bang.