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27 septembre 2015 7 27 /09 /septembre /2015 13:57
Una parte del rilevatore di neutrini SuperK-Kamiokande
Una parte del rilevatore di neutrini SuperK-Kamiokande

Piani sotterranei per scoprire i superneutrini

La Super-Kamiokande approva un progetto per migliorare la sensibilità del rivelatore di neutrini Super-K.

Neutrini, i disadattati del Modello Standard

Prossimo grande progetto di neutrini nel Giappone

T2k cattura neutrini nell’ atto della loro formazione

Super-Kamiokande è sepolto sotto circa 1 km di roccia della montagna a Kamioka, Giappone. E’uno dei più grandi rivelatori di neutrini sulla Terra. Il suo serbatoio è pieno di 50.000 tonnellate di acqua ultrapura, che usa per la ricerca dei segnali da particelle notoriamente difficili da catturare.

Recentemente i membri che collaborano al Super-K hanno elaborato un piano per rendere il rilevatore mille volte più sensibile con l'aiuto di un composto chimico chiamato solfato gadolinio.

I neutrini vengono prodotti in una varietà di processi naturali. Sono prodotti anche nei reattori nucleari, e gli scienziati possono creare fasci di neutrini negli acceleratori di particelle. Queste particelle sono elettricamente neutre, hanno poca massa e interagiscono solo debolmente con la materia : queste caratteristiche le rendono estremamente difficile da individuare anche se possono essere migliaia di miliardi quando volano, ogni secondo, attraverso un dato rivelatore.

Super-K raggiunge la produzione di circa 30 neutrini che interagiscono, ogni giorno, con l'idrogeno e l'ossigeno nelle molecole di acqua nel serbatoio. Si mantiene la sua acqua ultrapura con un sistema di filtrazione che rimuove batteri, ioni e gas.

Gli scienziati prendono precauzioni sia per mantenere pulita l'acqua ultrapura e anche per evitare il contatto con sostanze altamente corrosive.

"A qualcuno una volta è caduto un martello nel serbatoio,- afferma Mark Vagins, sperimentalista della University of Kavli Institute di Tokyo per la Fisica e Matematica dell'Universo- ed è stato cromato per apparire elegante e lucido. Alla fine abbiamo trovato il cromo e non il martello ".

Quando un neutrino interagisce nel rivelatore Super-K, crea altre particelle che viaggiano attraverso l'acqua più veloci, della velocità della luce, creando un lampo blu. Il serbatoio è rivestito con circa 13.000 rilevatori fototubi che possono vedere la luce.

Ricerca dei neutrini reliquia

In media, diverse stelle massicce esplodono come supernovae ogni secondo da qualche parte nell'universo. Se la teoria è corretta, tutte le supernove che sono esplose nel periodo di 13,8 miliardi anno,cioè l’età dell'universo, hanno buttato fuori trilioni su trilioni di neutrini. Ciò significa che il cosmo sarebbe bagliore in un debole contesto di neutrini reliquia e, se gli scienziati sono impegnati a trovare un modo per vedere anche solo una frazione di quelle particelle spettrali.

Per circa la metà dell'anno, il rivelatore Super-K viene utilizzato nella t2k, che produce un fascio di neutrini a Tokai, Giappone, circa 295 chilometri di distanza, e la punta Super-K. Durante il viaggio verso il rivelatore, alcuni dei neutrini cambiano da un tipo di neutrino in un altro. Studi T2K che cambiano, potrebbero dare suggerimenti agli scienziati sul motivo per cui il nostro universo contiene molto più materia che antimateria.

Ma un fascio T2K non funziona ininterrottamente nel corso della metà dell'anno. Invece, i ricercatori inviano un fascio ogni pochi secondi, e ciascun impulso dura pochi microsecondi. Super-K rileva anche neutrini, elaborati da processi naturali, mentre gli scienziati sono in esecuzione T2K.

Nel 2002, indagando sulla natura dei neutrini a Monaco di Baviera, in Germania, lo sperimentalista Vagins e il teorico John Beacom (Ohio State University ) hanno iniziato a pensare, come avrebbero potuto meglio utilizzare Super-K per spiare i neutrini reliquia emessi dalle supernove nell'universo.

"Da almeno un paio d'ore mentre eravamo nella stazione della metropolitana di Monaco di Baviera,- dice Beacom - da qualche parte nelle profondità del sottosuolo, c’era praticamente la cova nei nostri piani sotterranei".

Per individuare i pochi segnali che provengono da eventi di neutrini, si deve combattere un rumore costante provocato da altre particelle di fondo. Altre particelle cosmiche in arrivo, come i muoni (cugini più pesanti degl'elettroni) o anche elettroni emessi da sostanze radioattive presenti in natura nella roccia, sono in grado di produrre segnali che assomigliano a quelli che gli scienziati sperano di rilevare dai neutrini. Nessuno vuole affermare di aver fatto una scoperta che poi si trasforma e si rivela essere solo un segnale, proveniente da una roccia vicina.

Super-K protegge già contro alcuni di questi componenti del rumore di fondo, per il solo fatto di essere interrato a quelle profondità. Ma alcune particelle indesiderate possono passare, e così gli scienziati hanno bisogno di modi per separare i segnali che vogliono,non ingannati da segnali di fondo.

Vagins e Beacom hanno lavorato su un'idea e un nome per la prossima fase dell'esperimento: Gadolinio antineutrino come Detector, superando il vecchio Kamiokande, Super! (Gadzooks!). Hanno proposto in altri termini di aggiungere 100 tonnellate di gadolinio composto solfato-Gd2 (SO4) 3 per acqua ultrapura nel Super-K.

Quando un neutrino interagisce con una molecola, rilascia un leptone carico (muone, elettroni, tau o uno delle loro antiparticelle) con un neutrone. Neutroni hanno migliaia di volte più probabilità di interagire con il solfato di gadolinio anziché con un'altra molecola di acqua. Così, quando un neutrino attraversa Super-K e interagisce con una molecola, il suo muone, elettrone o antiparticella (Super-K non può vedere particelle tau) genera un primo impulso di luce, e il neutrone creerà un secondo impulso di luce : "due impulsi, come un colpo che annuncia il neutrino", dice Beacom.

Al contrario, un muone di sfondo o elettroni produrranno un solo impulso di luce.

Per estrarre solo le interazioni dei neutrini, gli scienziati useranno Gadzooks! ,imponendo di concentrarsi sugli eventi di segnale a due impulsi, estromettendo gli eventi a singolo segnale e, riducendo notevolmente il rumore di fondo.

Il prototipo

Ma non si possono semplicemente aggiungere 100 tonnellate di un composto chimico ad un rilevatore enorme senza fare, prima, qualche test. Così Vagins e colleghi hanno costruito una versione ridotta, che hanno chiamato la valutazione delle azioni di Gadolinio su Detector Systems (EGADS). Hanno ridotto allo 0,4 per cento, il formato di Super-K, utilizzando 240 degli stessi fototubi e 200 tonnellate di acqua ultrapura.

Nel corso degli ultimi anni, la squadra di Vagins , ha lavorato a lungo per mostrare i benefici della loro idea. Un aspetto dei loro sforzi è stato quello di costruire un sistema di filtrazione che rimuove tutto dall'acqua ultrapura, ad eccezione del solfato di gadolinio. Hanno poi presentato i loro risultati.

Il 27 giugno, il team Super-K ha ufficialmente approvato la proposta di aggiungere gadolinio solfato ma rinominato il progetto SuperK-Gd. I passi successivi saranno di drenare Super-K per controllare eventuali perdite e correggerli, sostituire tutti i fototubi bruciati, e quindi riempire il serbatoio. “Ma questo processo -dice Masayuki Nakahata, portavoce del gruppo di collaborazione Super-K -deve essere coordinato con T2K”.Una volta che il serbatoio verrà riempito con acqua ultrapura, gli scienziati aggiungeranno 100 tonnellate di solfato di gadolinio. “Una volta aggiunto il composto, il sistema di filtrazione corrente , -dice Vagins - potrebbe rimuoverlo in qualsiasi momento come i ricercatori vorrebbero. Credo –dice infine- che una volta che otteniamo questo in Super-K e vediamo il suo potere, diventerà indispensabile. Sta diventando il genere di cose al quale non si vuole rinunciare, la cosiddetta fisica in più, una volta che ci si è abituati."

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