Visita in Giappone al rivelatore Super-Kamiokande (part 1)

La trappola per neutrino fatta di acqua pura

Nessuna particella elementare attraversa più frequentemente l’universo degli schivi neutrini. Le ricerche delle piccolissime particelle quasi senza massa è al centro dell’odierna fisica delle particelle elementari. Probabilmente il contributo più importante degli ultimi vent’anni alla conoscenza del neutrino lo dobbiamo al rivelatore giapponese Super-Kamiokande in cui diversi gruppi di ricercatori Svizzeri sono coinvolti. Una visita alle montagne in Giappone.

A 1.7 km long tunnel leads to the neutrino detector Super-Kamiokande. Photo: B. Vogel
Immagine: CHIPP, Switzerland

Il villaggio di Kamioka è a circa 250 Km a nord-ovest di Tokio, circondato dalle montagne delle Alpi del Nord del Giappone. Miniere di Zinco ed altri minerali erano frequenti nella zona fino a qualche anno fa. Benché’ l’estrazione sia ora finita, i tunnel sono ancora molto attivi. Per saperne di più siamo saliti su un autobus a Kamioka e abbiamo percorso una strada tutte curve. Nel fondovalle del fiume Takahara, i fianchi delle montagne sono coperti da una fitta foresta. Dopo mezz'ora, l'autista dell'autobus, con indosso un berretto e guanti bianchi come al solito in Giappone, si ferma alla fermata dell'autobus Mozumi. Accanto a un piccolo tempio c'è uno dei più rinomati laboratori di ricerca in fisica delle particelle: l'Osservatorio Kamioka.

Una vita per la ricerca sul neutrino

Sulle scale all'ingresso un uomo con gli occhi amichevoli attende i visitatori. All'ingresso scambiamo le nostre scarpe da strada con pantofole verdi. È solo a pochi passi dallo spazioso ufficio di Masayuki Nakahata. Nakahata è direttore dell'Osservatorio di Kamioka e professore presso l'Istituto per la ricerca sui raggi cosmici dell'Università di Tokyo. Lo scienziato sessantenne ha tutte le ragioni per essere orgoglioso del suo lavoro. È stato collegato all'Osservatorio di Kamioka da quando è stato costruito qui un rilevatore di neutrini a metà degli anni '80. La sua biografia è strettamente legata al successo scientifico di questa struttura di ricerca.

Il primo di questi successi fu il 23 febbraio 1987. Il rivelatore, che era appena stato costruito, veniva usato per misurare i neutrini causati dall'esplosione di una stella (supernova) a 160.000 anni luce di distanza. Nessuno prima aveva scoperto simili neutrini "cosmici" - una novità scientifica sensazionale. "Da allora, il nostro rilevatore è conosciuto in tutto il mondo", afferma Nakahata, all'epoca principalmente responsabile dell'analisi dei dati dell'osservazione che ha assegnato il premio Nobel per la fisica al fisico responsabile, Masatoshi Koshiba, nel 2002.

Ricerca svizzera in Giappone

Questo fu solo il primo di una serie di importanti eventi scientifici che l'Osservatorio Kamioka avrebbe potuto offrire negli anni a seguire: i neutrini originari del sole furono osservati qui per la prima volta nel 1989. Nel 1998, il fisico giapponese Takaaki Kajita è riuscito a dimostrare che i tre tipi di neutrini possono trasformarsi l'uno nell'altro ("oscillazione") con neutrini "atmosferici" creati dall'impatto della radiazione cosmica nell'atmosfera terrestre. Per questo gli è stato assegnato il premio Nobel nel 2015. Da allora è stato chiaro che i neutrini hanno una massa (che, tuttavia, non è più di un milionesimo della massa di un elettrone), anche se oggi non si sa ancora nulla di ciascuna delle tre masse di neutrini.

Nel 2009, l'esperimento T2K è entrato in funzione: i neutrini generati sulla costa meridionale del Giappone vengono sparati a Kamioka per 295 km attraverso il Giappone e catturati con il rivelatore. Con questo esperimento, in cui sono coinvolti anche ricercatori delle Università di Berna e di Ginevra e dell'ETH di Zurigo, fu possibile mostrare l'oscillazione da neutrini muonici a elettronici per la prima volta nel 2011, il che significa che l'ultima delle tre oscillazioni di neutrini conosciuto oggi è stato sperimentalmente dimostrato.

Un serbatoio d'acqua molto speciale

Masayuki Nakahata conduce il suo visitatore dal suo ufficio al parcheggio. Dopo dieci minuti di auto arriviamo al fianco sud del monte Ikenoyama, alto 1369 metri. Un tunnel lungo 1,7 km conduce all’interno della montagna. Equipaggiato con elmetto e stivali entriamo in una caverna di roccia. La temperatura qui è di 13 gradi Celsius. Sopra le nostre teste c'è uno strato di roccia spesso 1000 metri, che protegge questo luogo dai raggi cosmici di un fattore di 1 / 100'000. "Ora siamo al di sopra del serbatoio", afferma il fisico delle particelle Nakahata. Il "serbatoio" di cui parla il ricercatore è il rivelatore Super-Kamiokande. Super-KamiokaNDE 'sta per' Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment '. È l'esperimento che ha avuto un'influenza decisiva sulla ricerca giapponese sui neutrini negli ultimi 20 anni dalla sua messa in servizio nel 1996.

Il rilevatore è in grado di rilevare una - molto piccola! - parte dei neutrini che passano di qui. Un cilindro in acciaio alto 41 metri con un diametro di 39 metri e riempito con 50 milioni di litri d'acqua serve a questo scopo. Se un neutrino colpisce il nucleo o l'elettrone di un atomo di idrogeno o ossigeno di una molecola d'acqua H2O, un elettrone o un muone viene "eliminato" dall'atomo. Quando questo elettrone o muone è abbastanza veloce - che deve essere più veloce della velocità della luce nell'acqua! - viene emessa una debole luce blu (radiazione Cherenkov), che viene registrata da un totale di 13.000 fotosensori all'interno del serbatoio dell'acqua. Il professor Nakahata porta il visitatore nella sala di controllo adiacente. Su uno schermo, le misurazioni correnti dei fotosensori sono rappresentate da punti colorati. Dal pattern dei pixel i fisici possono dedurre quale tipo di particelle hanno osservato e da quale direzione provenissero: i neutrini muonici hanno un contorno ad anello chiaro, mentre i neutrini elettronici hanno un contorno sfocato. I neutrini di origine solare hanno un'energia 100 volte inferiore ai neutrini atmosferici; riconoscibile da un piccolo raggio del contorno ad anello.

Immagini affascinanti per il pubblico

Questi sono pattern affascinanti che vengono prodotti dagli eventi del neutrino sullo schermo del Super-Kamiokande. Immagini che raccontano di particelle elementari altrimenti inaccessibili alla percezione sensoriale umana. È stata quindi una grande idea rendere queste immagini accessibili a persone esterne alla comunità di ricerca. Nel marzo 2019, un piccolo ma raffinato museo della scienza è stato aperto a Kamioka, a 15 km di distanza. Le immagini di questo mondo altrimenti nascosto vengono trasmesse lì in tempo reale. Inoltre, il museo utilizza mostre interattive per raccontare la storia dei neutrini inafferrabili. Nei primi sei mesi, 100.000 visitatori sono stati infettati dal fascino della ricerca sui neutrini.

Autore: Benedikt Vogel

Link interessanti:

Informazioni sul rivelatore Super-Kamiokande: http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html

Informazioni sull'esperimento T2K: https://t2k-experiment.org

  • Kamioka is located near the northern Japanese Alps. The Super-Kamiokande detector takes its name from thetown. Photo: B. Vogel
  • In the Kamioka Observatory about 20 scientists work permanently. From here it is only a short car drive to the Super-Kamiokande detector, which is deep in the mountain. Photo: B. Vogel
  • Prof. Masayuki Nakahata, Director of the Kamioka Observatory, shows the original data carrier from 1987, on which eleven neutrino events were recorded from a star explosion that took place 160,000 years ago. Photo: B. Vogel
  • A 1.7 km long tunnel leads to the neutrino detector Super-Kamiokande. Photo: B. Vogel
  • The entrance to the Super-Kamiokande detector. As always, when you enter a room in Japan, you have to take off your shoes (and stow them in the shelf on the left). Photo: B. Vogel
  • Prof. Nakahata in the rock cavern 1000 meters below ground. Directly below is the huge water tank with which the Super-Kamiokande detects neutrinos. Photo: B. Vogel
  • The visitor's area next to the Super-Kamiokande. The detector itself cannot be visited, as it is filled with water. The photo on the left was taken during inspection work: It shows the photo sensors (Photomultiplier Tubes / PMT) with which the inner wall of the detector is lined. Each PMT has a diameter of 50 cm. Photo: B. Vogel
  • In the control room of the Super-Kamiokande. The large screen shows a current cosmic-ray event. Photo: B. Vogel
  • Example of a muon neutrinos recorded by the Super-Kamiokande, which has its origin in the atmosphere. Photo: B. Vogel
  • Example of an electron neutrinos recorded by the Super-Kamiokande and originating in the atmosphere. Photo: B. Vogel
  • Example of a solar neutrino recorded by the Super-Kamiokande. Photo: B. Vogel
  • Dr. Yumiko Takenaga, PR officer of the Kamioka Observatory, and researchers around Kamioka collaborating with Hida-city have contributed to establishing the KamiokaLab Science Museum in Kamioka, which informs the general public about neutrino research. Photo: B. Vogel
  • The KamiokaLab uses interactive exhibits to familiarise visitors with the contents of elementary particle physics. Photo: B. Vogel
  • Kamioka is located near the northern Japanese Alps. The Super-Kamiokande detector takes its name from thetown. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland1/13
  • In the Kamioka Observatory about 20 scientists work permanently. From here it is only a short car drive to the Super-Kamiokande detector, which is deep in the mountain. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland2/13
  • Prof. Masayuki Nakahata, Director of the Kamioka Observatory, shows the original data carrier from 1987, on which eleven neutrino events were recorded from a star explosion that took place 160,000 years ago. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland3/13
  • A 1.7 km long tunnel leads to the neutrino detector Super-Kamiokande. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland4/13
  • The entrance to the Super-Kamiokande detector. As always, when you enter a room in Japan, you have to take off your shoes (and stow them in the shelf on the left). Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland5/13
  • Prof. Nakahata in the rock cavern 1000 meters below ground. Directly below is the huge water tank with which the Super-Kamiokande detects neutrinos. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland6/13
  • The visitor's area next to the Super-Kamiokande. The detector itself cannot be visited, as it is filled with water. The photo on the left was taken during inspection work: It shows the photo sensors (Photomultiplier Tubes / PMT) with which the inner wall of the detector is lined. Each PMT has a diameter of 50 cm. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland7/13
  • In the control room of the Super-Kamiokande. The large screen shows a current cosmic-ray event. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland8/13
  • Example of a muon neutrinos recorded by the Super-Kamiokande, which has its origin in the atmosphere. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland9/13
  • Example of an electron neutrinos recorded by the Super-Kamiokande and originating in the atmosphere. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland10/13
  • Example of a solar neutrino recorded by the Super-Kamiokande. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland11/13
  • Dr. Yumiko Takenaga, PR officer of the Kamioka Observatory, and researchers around Kamioka collaborating with Hida-city have contributed to establishing the KamiokaLab Science Museum in Kamioka, which informs the general public about neutrino research. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland12/13
  • The KamiokaLab uses interactive exhibits to familiarise visitors with the contents of elementary particle physics. Photo: B. VogelImmagine: CHIPP, Switzerland13/13

Categorie

  • Fisica delle Particelle Elementari

Contatto

Swiss Institute of Particle Physics (CHIPP)
c/o Prof. Dr. Rainer Wallny
ETH Zürich
IPA
HPK E 26
Otto-Stern-Weg 5
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