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La nascita di un buco nero (utilizzo di DUNE)

Gli scienziati sperano di utilizzare esperimenti sui neutrini, per guardare una forma possibile di buco nero.

di Lauren Biron

I buchi neri ci affascinano. Possiamo facilmente evocare immagini di loro, mentre inghiottono astronavi, ma sappiamo pochissimo di questi strani oggetti. In realtà, non abbiamo mai nemmeno visto una forma di buco nero. Con gli esperimenti sui neutrini, come l'imminente profondo metropolitano Experiment Neutrino, si spera di cambiare la situazione.

"Devi essere un po’fortunato, - afferma Mark Thomson, portavoce di DUNE - ma sarebbe una delle maggiori scoperte della scienza. Sarebbe assolutamente incredibile. "

I buchi neri a volte nascono quando una stella massiccia, in genere più di otto volte la massa del nostro Sole, crolla o meglio implode. Ci sono un sacco di domande su ciò che accade esattamente durante il processo: con quale frequenza queste stelle collassano e danno luogo a buchi neri? Quando, nel crollo, opera in realtà lo sviluppo del buco nero?

Ciò che gli scienziati sanno è che in profondità nel nucleo denso della stella, protoni ed elettroni sono compressi insieme per formare i neutroni e, l'invio di particelle fantasma chiamate neutrini che sgorgano via. Altra materia rientra verso l'interno. Nel caso da manuale, la materia rimbalza e scoppia, lasciando una stella di neutroni. A volte, la supernova ha esito negativo, e non c'è nessuna esplosione; si tratta di una falsa percezione, invece, è appena nato un buco nero.

I giganteschi rivelatori di DUNE, pieni di argon liquido, saranno collocati un miglio sotto la superficie cioè saranno riproposti all’interno di una miniera d'oro. Mentre gran parte del loro tempo sarà speso alla ricerca di neutrini inviati dal a 800 miglia di distanza, i rivelatori avranno anche la rara capacità di prendere il collasso del nucleo di una supernova nella nostra galassia (Via Lattea) - o meno e, che porta a un nuovo buco nero.

L'unica supernova mai registrata da un rivelatori di neutrini è stata verificata nel 1987, quando gli scienziati hanno visto un totale di 19 neutrini. Gli scienziati ancora non sanno se questa supernova ha formato un buco nero o semplicemente una stella a neutroni: non c'erano abbastanza dati. Thomson dice che se una supernova si spegne relativamente vicina, DUNE potrà vedere fino a 10.000 neutrini.

DUNE cercherà una firma particolare nei neutrini raccolti dal rivelatore. E 'previsto che un buco nero si forma relativamente presto in una supernova. I neutrini saranno in grado di lasciare il crollo della supernova, in gran numero, fino a quando emerge il buco nero, che cattura-tutto, compreso la luce e i neutrini. In termini di dati, questo significa che si otterrebbe un grande scoppio di neutrini con un improvviso taglio.

I neutrini sono di tre tipi, chiamati gusti: elettroni, muoni e tau. Quando una stella esplode, emette tutti i vari tipi di neutrini, così come le loro antiparticelle.

Sono difficili da catturare. Questi neutrini arrivano con 100 volte meno energia di quelli che arrivano da un acceleratore per esperimenti, e questo rende meno probabile che avvenga l'interazione in un rivelatore.

La maggior parte dei rivelatori di particelle in questo periodo in esecuzione, sono di grandi dimensioni e, in grado di vedere i neutrini di una supernova. Sono i migliori a rilevare antineutrini e elettroni non grandi, oltre che a individuare i loro equivalenti in materia, cioè i neutrini elettronici.

"Sarebbe una tragedia di non essere pronto a rilevare i neutrini in dettaglio in pieno, per rispondere alle domande fondamentali, - dice John Beacom, direttore del Centro per la cosmologia e la fisica delle astro-particelle all’Ohio State University - per fortuna, DUNE è unico”. "L'unico strumento sensibile a un enorme sorso di elettroni e di neutrini è DUNE, - dice Kate Scholberg, professore di fisica alla Duke University - e questo avviene in funzione dell’utilizzo di argon [come fluido rilevatore]".

Ci vorrà, però, più di un semplice DUNE per avere il quadro completo. “Ottenere una suite completa di grandi e potenti rilevatori di tipo diverso, -dice Beacom -, installati e funzionanti è il modo migliore per capire la vita dei buchi neri”.

C'è un grande rivelatore di scintillatore, JUNO, che adesso opera in Cina, e piani per realizzare un enorme rivelatore a base d'acqua, Hyper-K, che sarà avviato in Giappone. Rivelatori di onde gravitazionali come LIGO potrebbero, raccogliendo nuove informazioni sulla densità di materia e di ciò che sta accadendo nella fase del crollo implosoniale di una supernova.

"Il mio sogno -afferma Scholberg - è quello di avere una supernova con JUNO, Hyper-K e DUNE tutti online. Certamente costituirebbe il meglio nel mio decennio".

La velocità con cui i neutrini arrivano dopo il collasso di una supernova, informerà gli scienziati su quello che sta accadendo al centro del nucleo in collasso, ma fornirà anche informazioni sul misterioso neutrino, compreso il modo in cui interagiscono tra di loro e potenziali approfondimenti su quanto, queste piccole particelle, pesano realmente.

Entro i prossimi tre anni, la rapida crescita della collaborazione sul progetto DUNE costruirà e iniziare a provare un prototipo del rivelatore argon liquido di 40.000 tonnellate. La versione di 400 tonnellate, sarà il secondo più grande esperimento di argon-liquido mai costruito finora . E 'previsto che il test, si eseguirà al CERN, a partire nel 2018.

Per DUNE si prevede, che si possa avviare l'installazione del primo dei suoi quattro rivelatori, Facility Sanford, con una ricerca metropolitana, nel 2021.

L’alba di DUNE                                                                                                                               L'esperimento neutrino prima noto come LBNE è stato trasformato. Ha guadagnato la collaborazione circa 50 nuovi istituti membri, ha eletto due nuovi portavoce e scelto un nuovo nome: Neutrino Experiment in profondità, o DUNE.

L'esperimento proposto sarà con lo strumento più potente del mondo per lo studio delle particelle difficili da catturare, chiamati neutrini. Avrà uno sviluppo su 800 miglia. Si inizierà con un quasi rivelatore e un intenso fascio di neutrini prodotti al Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois. Finirà con un rivelatore lontano, di 10 kilotoni, situato sottoterra in un laboratorio presso l'impianto metropolitano di ricerca a Sanford nel Sud Dakota. La distanza tra i due rivelatori permetterà agli scienziati di studiare il cambiamento dei neutrini che viaggiano quasi alla velocità della luce, dritto attraverso la Terra.

"Questo sarà l'esperimento fiore all'occhiello per la fisica delle particelle ospitato negli Stati Uniti, - afferma Jim Siegrist, direttore associato di fisica delle alte energie (Dipartimento dell'Energia Office of Science degli Stati Uniti) - e sarà un momento emozionante per la scienza dei neutrini e la fisica delle particelle in generale."

Nel 2014, la fisica delle particelle Progetto Prioritization Pannello ha identificato l'esperimento come una priorità assoluta per gli Stati Uniti nello studio della fisica delle particelle. Allo stesso tempo, ha raccomandato la collaborazione e quindi invitare alla partecipazione, quanto più possibile internazionale, nel processo di pianificazione.

Il fisico Sergio Bertolucci, direttore di ricerca e calcolo scientifico del CERN, ha preso il timone di un comitato esecutivo messo insieme per espandere la collaborazione e organizzare l'elezione di nuovi portavoce.

DUNE ora include scienziati di 148 istituzioni in 23 paesi. Sarà il primo grande progetto internazionale ospitato dagli Stati Uniti per essere supervisionato, congiuntamente, da agenzie esterne.

La collaborazione ha eletto di recente due nuovi portavoce: André Rubbia, professore di fisica all'ETH di Zurigo e, Mark Thomson, professore di fisica all'Università di Cambridge. Uno servirà da portavoce per due anni e l'altro per tre anni, proprio per dare continuità nella leadership. Rubbia ha cominciato con la ricerca dei neutrini come membro dell'esperimento NOMAD al CERN negli anni '90. Più di recente è stato una parte di LAGUNA-LBNO, una collaborazione che stava lavorando per un esperimento lungo una linea di base in Europa. Thomson ha un impegno a lungo termine nel campo sotterraneo statunitense, della fisica dei neutrini, ed è il principale investigatore DUNE, per il Regno Unito.

Gli scienziati si riuniscono per studiare i neutrini, particelle che raramente interagiscono costantemente e che fluiscono attraverso la Terra, ma sinora non sono stati ben compresi. Sono disponibili in tre tipologie e oscillano, o cambiano da tipo a tipo, mentre viaggiano su lunghe distanze. Hanno minuscole masse inspiegabili. I neutrini potrebbero contenere indizi su come l'universo ha cominciato e perché la materia oltrepassa notevolmente l'antimateria, che ci permette di esistere.

"La scienza è ciò che ci spinge, -dice Rubbia - e siamo al punto in cui la prossima generazione di esperimenti sta per affrontare il mistero delle oscillazioni dei neutrini. E 'un momento unico. "

Gli scienziati sperano di iniziare l'installazione del rilevatore lontano DUNE entro il 2021. " Siamo tutti coinvolti- dice Thomson – che sta spingendo in questa direzione, anche se è difficile prevedere che questo progetto, possa avvenire il più presto possibile".

La fisica delle particelle diventerà ancora più di uno sforzo internazionale, nei prossimi decenni, secondo un panel incaricato di sviluppare un piano strategico per il futuro della fisica delle particelle statunitense, le cui raccomandazioni tanto attese sono state finalmente rilasciate.

Secondo il gruppo, la priorità per la fisica delle particelle statunitensi include di continuare a fare svolgere un ruolo importante al Large Hadron Collider in Europa; la costruzione di un programma mondiale leader sul neutrino ospitata negli Stati Uniti; e partecipare allo sviluppo di un futuro collisore lineare proposto, se verrà costruito in Giappone. "I ricercatori degli Stati Uniti e delle principali in altre regioni -hanno scritto i membri del gruppo nella loro sintesi- possono insieme affrontare l'intera gamma delle più urgenti questioni scientifiche del campo se ognuno, ospita una struttura unica di livello mondiale a casa e, diventa partner di servizi ad alta priorità, ospitati altrove". La fisica delle particelle Progetto Prioritization Panel 25 membri (P5) è stata avviata nel mese di settembre 2013, con lo sviluppo di un progetto di piano strategico per la fisica delle particelle degli Stati Uniti per il prossimo decennio e oltre. P5 si riferisce alla “Fisica delle Alte Energie Advisory Panel” (HEPAP), organismo di 24 membri che consiglia formalmente sia l'US Department of Energy Office of Science e la National Science Foundation a sostegno della fisica delle particelle. HEPAP prevede di esaminare e votare sulle raccomandazioni del gruppo di esperti nel corso di un incontro pubblico che si terrà a Bethesda, Maryland. Il rapporto P5 è impegnato a definire un processo che ha avuto inizio con le riunioni dei membri della comunità dei fisici delle particelle US a fine luglio e inizio agosto dello scorso anno e si è conclusa con l’avvertenza data al P5 di lavorare per il consenso, creando una strategia unitaria. "La comunità è stata fortemente impegnata, -dice il fisico Steven Ritz (University of California, Santa Cruz), che ha guidato il pannello P5- e siamo molto grati per questo". Il piano raccomanda un programma di fisica delle particelle degli Stati Uniti che porterà avanti la ricerca relativa al bosone di Higgs, neutrini, materia oscura, energia oscura, l'inflazione, particelle non ancora scoperte, le interazioni e i principi fisici. Per mantenere gli Stati Uniti all'avanguardia nella fisica delle particelle, i sostenitori del piano propongono di investire una parte maggiore del budget sulla fisica delle alte energie DOE per la costruzione di nuovi impianti sperimentali, innalzando il livello 16-20, al 25 per cento."Questo è un campo di scoperte-guida , -dice Ritz - perché al fine di scoprire, è necessario costruire”. Il pannello P5 raccomanda di fare avanzare una serie di progetti, tra cui un certo numero di grandi impianti complementari, ordinati in tempo per rientrare nei vincoli di bilancio. La sequenza di grandi progetti raccomanda: l'esperimento Mu2e; aggiornamenti al Large Hadron Collider e dei suoi esperimenti; un esperimento neutrino-lungo e, come linea di base per essere avviato, l’utilizzo del Fermi National Accelerator Laboratory. P5 raccomanda la partecipazione degli Stati Uniti nello sviluppo di un International Linear Collider in Giappone, se in Giappone verrà presa la decisione di andare avanti nella costruzione di questo strumento. Il pannello P5 prevede gli Stati Uniti debbano ospitare un programma internazionale di ricerca sui neutrini ,in grado di attrarre la comunità che studiano il neutrino in tutto il mondo, operando sul più potente fascio di neutrini del mondo e, con partner internazionali, impegnati a costruire un importante impianto neutrino-lungo, con una linea di base completata dai più piccoli esperimenti sui neutrini breve-basale. Il lancio di questo programma prevede un cambio di direzione. Il gruppo raccomanda di riformulare l'attuale esperimento a Baseline Neutrino lungo come un programma progettato a livello internazionale, coordinato e finanziato denominato strumento Baseline Neutrino lungo, o LBNF. L'impianto dovrebbe utilizzare un fascio di neutrini al Fermilab, aggiornato attraverso il progetto proposto denominato Piano di Miglioramento Proton II; un enorme rivelatore di neutrini ad argon liquido interrato, probabilmente in dotazione alla Research metropolitana di Sanford in South Dakota; e un rivelatore di minori dimensioni posizionato più vicino alla sorgente del fascio. Il pannello P5 raccomanda di dirigere le risorse verso una serie di altri progetti che richiedono finanziamenti medi o piccoli. Si pone l’accento sulla necessità per gli Stati Uniti di iniziare subito esperimenti diversi di seconda generazione in programma sulla materia oscura, con la visione di costruire almeno un esperimento grande di terza generazione, negli Stati Uniti, all'inizio del prossimo decennio. Si raccomanda di aumentare i finanziamenti per i membri delle indagini sulla fisica delle particelle cosmiche. Il pannello raccomanda il completamento delGrande sinottico Sky Survey (LSST) e, se il finanziamento è disponibile, la costruzione del Dark Energy spettroscopica dello strumento (DESI). La raccomandazione è di lavorare con altre agenzie per finanziare ulteriori progetti comuni come la CMB-S3, CMB-S4 e il Cherenkov Telescope Array. Va cambiata direzione per l’ acceleratore e la strumentazione R & D per allineare meglio con le priorità elaborate dal P5. I recenti risultati di fisica hanno ridotto la necessità di aver al più presto collider per muoni, il pannello raccomanda di contattare i partner internazionali sulla risoluzione anticipata del progetto MICE raffreddamento- muone, attualmente in corso. Il gruppo di esperti propone ancora una tabella di marcia per la fisica delle particelle degli Stati Uniti in tre scenari di bilancio: i due scenari vincolati differiscono di circa $ 500 milioni sommati più di un decennio. “Mentre apparentemente piccole, -dice il rapporto-, queste differenze sarebbero con un impatto molto grande a breve e lungo termine . Il pannello ha fatto scelte difficili in fronte alla realtà dei bilanci per la fisica delle particelle che sono diminuiti rispetto al piano P5 precedente, -spiega il fisico Andrea Lankford (University of California, Irvine)-, che ha lavorato sul precedente pannello P5 (2008) e attualmente è impegnato su HEPAP”. In un bilancio non vincolato, il pannello P5 raccomanda di lavorare su un programma di sviluppo notevolmente ampliato mediante l’ acceleratore R & D con l'accento sullo sviluppo di tecnologie di trasformazione per le macchine di recente scoperta, al di là delle capacità del LHC e ILC; svolgere un ruolo di primo piano nel programma del rivelatore ILC e fornire elementi acceleratori ILC critici; e ospitare un secondo grande rilevatore sotterraneo, Cherenkov acqua neutrino per completare il proposto rilevatore LBNF.