Gli esperimenti per ricercare e tipizzare i neutrini

Il Deep Neutrino Experiment porta avanti una tecnologia comunemente usata negli esperimenti sulla materia oscura: momento determinante nella fisica delle particelle. Vi sono diverse cose che non si adattano al miglior modello dell'universo previsto dagli scienziati.

Il Deep Underground Neutrino Experiment, è un progetto internazionale di mega-science con oltre 1100 scienziati provenienti da 32 paesi, ospitato dal Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia a Batavia, Illinois. Il Fermilab

FermiLab

invierà un fascio di particelle chiamate neutrini attraverso 1300 km di terra a un enorme rilevatore di particelle: quattro moduli contenenti 70.000 tonnellate totali di argon liquido, che verranno alloggiate presso il Sanford Underground Research Facility - South Dakota. Si spera di saperne di più sulle proprietà di queste particelle misteriose: potrebbero avere a che fare con gli interrogativi sull’esistenza della materia.

The Science of the Deep Underground (DUNE)

Uno dei prototipi per gli enormi moduli rivelatori DUNE utilizzerà un concetto relativamente nuovo per la scienza del neutrino, familiare ai ricercatori di altre parti della fisica delle particelle: il rivelatore a doppia fase. La materia arriva in diverse fasi, le più familiari delle quali sono solide, liquide e gassose. Tutti i rivelatori di particelle bifase usano una combinazione di fasi liquida e gassosa. Ciò vale anche per DUNE, il cui modulo a doppia fase di argon liquido e gassoso lo renderà il più grande rilevatore a doppia fase mai creato quando sarà online nella metà del 2020.

I rivelatori a doppia fase possono registrare due volte un'interazione particellare: prima quando si verifica la collisione nel liquido, creando un lampo di luce, e di nuovo quando lo spruzzo di particelle risultante entra nell'area riempita di gas e produce ancora più segnali. Avere questi due indicatori consente una ricostruzione particolarmente precisa e chiara dell'interazione originale.

ProtoDUNE

Il ricercatore Jae Yu ha controllato i componenti all'interno del rivelatore ProtoDUNE

ProtoDune

a doppia fase. Analizzando i neutrini utilizzando la tecnologia a doppia fase, è una tecnica avviata solo negli ultimi anni, ma sono uno standard per gli esperimenti sulla materia oscura e lo saranno ancora per molto.

I neutrini e la materia oscura : due dei più grandi misteri della fisica delle particelle. I neutrini interagiscono raramente con la materia e ci sono voluti 25 anni dall'invenzione "teorica" ​​dei neutrini alla loro effettiva rilevazione nel 1956. I neutrini incuriosiscono con le loro minuscole e inaspettate masse e la loro capacità di trasformarsi da almeno tre tipi diversi e,  su come viaggiano attraverso l'universo. La materia oscura non è mai stata osservata direttamente, ma gli scienziati deducono l'esistenza di queste particelle da prove indirette come l'improbabile velocità con cui le galassie girano senza allontanarsi. “La tecnologia a doppia fase per rivelatori di materia oscura, proposta negli anni '70, è consolidata ed ha contribuito a produrre risultati di materia oscura negli ultimi dieci anni, - dice Cristian Galbiati -, fisico a Princeton, portavoce per l'esperimento DarkSide-50

DarkSide20

sulla materia oscura. Per questo esperimento viene attuata la raccolta dati presso il Laboratorio Nazionale Gran Sasso dell'INFN in Italia. Come DUNE, DarkSide usa l'argon come mezzo di rilevamento. Ad esempio, a differenza di DUNE, DarkSide non deve presentare alcun rumore di fondo - segnali che potrebbero essere interpretati erroneamente come una scoperta di particelle di materia oscura.

"Non appena -dice Galbiati - hai un evento di sottofondo, si festeggia. " I rivelatori a doppia fase offrono una condizione completamente priva di background se l'argon è pulito." Per l'esperimento si deve utilizzare l'argon con radioattività molto bassa, procurata e distillata da una fonte sotterranea in Colorado. Sarà utilizzato per la prossima generazione dell'esperimento, DarkSide-20k, che richiederà 20 tonnellate di argon ultrapuro. Si lavora su più rivelatori di materia oscura, su piccola scala, che usano argon, inclusi DEAP 3600, ARDM, MiniCLEAN e DarkSide-50, si sono uniti e formano la collaborazione Argon globale di materia oscura, per lavorare su quel rivelatore di prossima generazione, in programma al Gran Sasso nel 2022. Sarà seguito da una versione ancora più grande intorno al 2027. Argon non è l'unico mezzo utilizzato. Altri rivelatori di materia oscura bifase utilizzano diversi gas nobili, come lo xeno in LUX o l'esperimento LUX-ZEPLIN

Rilevatore Lux Zeplin

di prossima generazione. LZ userà 10 tonnellate di materiale e dovrebbe avviarsi nel 2020.

Vista della parte inferiore del supporto PMT- LUXI tubi fotomoltiplicatori: raccolgono la luce, installati in questo telaio per l'esperimento della materia oscura LUX.

LUX

“Come il prototipo a doppia fase di DUNE, il rivelatore LZ

LUX

è uno strumento grande, complicato con molti sistemi diversi che devono riunirsi, - dice Dan McKinsey, co-portavoce di LUX e scienziato (Lawrence Berkeley National Laboratory -UC Berkeley), che lavora su LZ. Alcuni dei progressi tecnologici su cui il progetto sta lavorando, sono rilevanti anche per i rivelatori di neutrini a doppia fase come DUNE. Alta tensione, raccolta di luce, purezza: tutte sfide previste e diventano sfide più grandi con la crescita dei rivelatori ".

 DUNE a doppia fase

DUNE utilizzerà moduli di rivelatori monofase e bifase presso il sito lontano dell'esperimento nel Dakota del Sud. La tecnologia monofase dell'argon, utilizza solo argon liquido, è già stata dimostrata in esperimenti di neutrini a breve distanza, come MicroBooNE

MicroBooNE

al Fermilab, utilizzando un rilevatore di dimensioni scolastiche e in esperimenti a lunga distanza, come ICARUS, un 760 -ton detector che in precedenza funzionava al Gran Sasso utilizzando un fascio di neutrini che percorreva 725 km dal CERN (centro europeo per la ricerca nucleare). E la tecnologia del neutrino a doppia fase ha fatto progressi significativi con il rivelatore WA105 3X1X1

WA105 3X1X1

.Si sta creando qualcosa di grande come DUNE, si desidera eseguire test per assicurarsi che tutto funzioni come previsto. Si costruiscono enormi banchi di prova monofase e bifase chiamati rivelatori Proto DUNE al CERN. Nella nuova piattaforma di neutrini del laboratorio, guidata da Marzio Nessi, gli scienziati stanno completando i due rivelatori da 800 tonnellate per fornire alle tecnologie per DUNE un test finale.

Piattaforma del Neutrino al CERN

I due rivelatori ProtoDUNE sono alloggiati nella piattaforma del neutrino del CERN.

"L'obiettivo di questi dispositivi è sviluppare la tecnologia ed essere sicuri di fare le cose nel modo giusto, - afferma Filippo Resnati, coordinatore tecnico della struttura del neutrino al CERN- è anche bello sapere che, nonostante questi test, le due camere di proiezione del tempo con argon liquido più grandi che siano mai state costruite, e molto altro nel più breve tempo possibile".

Il prototipo monofase dovrebbe terminare il riempimento con argon liquido ed essere messo in servizio entro la fine dell'estate, vedendo le prime tracce di particelle in autunno. Il prototipo bifase ha recentemente completato il primo test di un elemento chiave chiamato piano di lettura della carica, o CRP, che amplificherà gli elettroni nel gas e raccoglierà i loro segnali. I CRP e gli altri componenti dovrebbero essere installati in autunno.

"Bisogna essere sicuri che stiamo lavorando insieme come una squadra e che ognuna di queste tecnologie può funzionare, - dice Jae Yu, fisico dell'Università del Texas – Arlington- che lavora su ProtoDUNE a doppia fase. È sempre meglio avere diverse tecnologie in modo che possiamo controllarci a vicenda."

Alcuni vantaggi dell'utilizzo della tecnologia a doppia fase , rispetto alla configurazione monofase, segnali più forti e più puliti e una soglia di energia più bassa, il che significa che il rivelatore può vedere i neutrini a energia più bassa. L'amplificazione degli elettroni nel gas fa sì che il segnale si distingua dal rumore di fondo. I rivelatori monofase cercano di raccogliere il segnale il più presto possibile, il che significa che l'elettronica si trova di solito all'interno del rivelatore, nell'argon liquido a una temperatura criogenica. Al contrario, l'elettronica del rivelatore a doppia fase sarà alloggiata in speciali camini accessibili dall'esterno.

"È possibile accedere all'elettronica in qualsiasi momento, senza contaminare l'argon liquido,- afferma Dario Autiero, responsabile del progetto DUNE per i gruppi IN2P3 ( National Institute of Nuclear and Particle Physics) - questi concetti e il design innovativo dell'elettronica, c’è voluto molto tempo per svilupparli."

Altro vantaggio: quasi tutto l'argon liquido all'interno del rivelatore a doppia fase è una vasta regione di produzione del segnale, rendendo l'analisi dei dati meno complicata. Al contrario, i rilevatori monofase sono segmentati in blocchi,  le diverse sezioni dovranno essere combinate insieme per l'analisi dei dati e le lacune spiegate.

Il “doppia fase” di DUNE si compone: il catodo della gabbia di campo - componente elettrico che trascina gli elettroni verso i pezzi di registrazione del segnale - attivato con una tensione di circa 600.000 volt. Inoltre, i CRP devono trovarsi perfettamente al livello delle fasi liquida e gassosa di argon e funzionare stabilmente, senza provocare scintille. “Siamo pionieri, -afferma Inés Gil Botella, leader del gruppo CIEMAT in Spagna- , che lavora sugli elementi chiamati a catturare la luce all'interno del rivelatore a doppia fase. E’ una sfida tecnologica, stimolante , molto critica ma stiamo avanzando nella tecnologia ". Le tecnologie a doppia fase per gli esperimenti sulla materia oscura e sui neutrini continueranno in futuro. La Global Argon Dark Matter Collaboration già valuta il criostato ProtoDUNE come potenziale involucro per il loro esperimento da 20 tonnellate, e per ProtoDUNE si sta studiando come il rivelatore prototipo bifase possa essere utilizzato per cercare un particolare tipo di materia oscura. "Più ci penso e, più m’innamoro di questa tecnologia, - dice Yu- perché è bellissima, affascinante, un pezzo d'arte, elegante. Siamo solo all'inizio e c'è molto lavoro da fare."