Callum Wilkinson prepara l’esperimento DUNE all’Università di Berna

Una trappola per particelle fantasma

Nel 2025, l’esperimento 'Deep Underground Neutrino Experiment' (DUNE) prenderà il via nel nord degli Stati Uniti d’America, vi lavorano i fisici che aspirano a conoscere meglio il neutrino – la particella elementare ancora misteriosa. Una componente importante dell’esperimento DUNE è in costruzione all’Università di Berna.

Panoramica della sala sperimentale di fisica delle alte energie all’Universita di Berna: Callum Wilkinson in piedi vicino a criostato (l’unita di raffreddamento) che contiene quattro dei cubi dell’ultima camera a proiezione temporale del rivelatore ‘vicino’ di DUNE per essere testati.
Immagine: Foto: B. Vogel CHIPP, Switzerland

Quando i fisici di oggi cominciano a progettare un nuovo esperimento di solito partono per un'avventura lunga e faticosa. Centinaia, migliaia di scienziati e tecnici sono coinvolti in un progetto di questo tipo. Molte questioni di natura fisica, ma anche tecnica, organizzativa ed economica devono essere chiarite, dal disegno alla ricerca dei materiali, dalla progettazione del rivelatore alla sua integrazione e produzione. Tutto questo è successo anche per DUNE. Nell’estate del 2019 è stata raggiunta una nuova pietra miliare le cui radici affondano in anni precedenti e che porteranno frutto solo nel 2025 quando l’esperimento sarà operativo: il ‘Technical Design Report’ (TDR) è stato terminato. Il TDR è un documento che descrive nei minimi dettagli le particolarità tecniche della costruzione e il funzionamento dell’esperimento. Il rapporto presenta anche il modo in cui DUNE intende raggiungere il suo scopo scientifico: descrivere il neutrino con precisione.

I neutrini nel loro viaggio di 1300 km.

Il neutrino fu postulato da Wolfgang Pauli agli inizi del 1930 e fu rivelato sperimentalmente solo 26 anni più tardi, nel 1956. È solo da una ventina d’anni che si sa che il neutrino che esiste in tre specie (‘neutrino-muonico’, ’neutrino-elettronico’ e ‘neutrino-tauonico’) può trasformarsi da una specie all’altra. Gli scienziati chiamano questa trasformazione ‘oscillazione’. L’esperimento DUNE misurerà precisamente l’oscillazione del neutrino muonico in quello elettronico e l’oscillazione dell’antineutrino muonico nell’antineutrino elettronico. Queste due oscillazioni sono già state osservate in precedenza, ma con DUNE queste osservazioni saranno ancora più precise. Inoltre l’esperimento DUNE vuole testare se questi due tipi di oscillazioni si verificano con differenti probabilità. Se questa inegualità dovesse veramente esistere, essa porterebbe a un nuovo fondamentale approccio per spiegare l’origine dell’universo e indicherebbe la ragione per cui l’universo è formato di materia e non da antimateria.

L’esperimento DUNE e’ in costruzione nel nord degli Stati Uniti in una profonda miniera sotterranea. Al laboratorio 'Fermi National Laboratory' (Fermilab) vicino a Chicago, i fisici producono un fascio di neutrini facendo collidere un fascio ad alta intensità di protoni su un bersaglio di grafite. Creano in questo modo dei pioni che in seguito decadono in muoni e neutrini. Questi neutrini attraversano la crosta terrestre fino a raggiungere il laboratorio 'Sanford Underground Research Laboratory' nel South Dakota, a 1300 km di distanza. Poiché i neutrini interagiscono molto debolmente con la materia, possono attraversare praticamente indisturbati la terra. Una volta arrivati a destinazione una piccolissima parte dei neutrini viene osservata dai ricercatori grazie al rivelatore denominato "lontano”. È allora possibile determinare i cambiamenti a cui è stato sottoposto il neutrino durante il suo viaggio da Fermilab.

L’Argon ferma i tipi volatili.

Come in tutti i grandi esperimenti dei tempi moderni in fisica delle particelle, ricercatori da numerosi paesi e università partecipano all’esperimento DUNE. Dalla Svizzera partecipano ETH Zurigo, l’Università di Basilea, il CERN e l’Università di Berna. A Berna il gruppo di ricerca che lavora su DUNE è guidato dal Prof. Antonio Ereditato con l’aiuto del Prof. Michele Weber. Gli scienziati bernesi stanno partecipando alla costruzione di quello che è chiamato il rivelatore “vicino”, a Fermilab, il punto in cui comincia il viaggio dei neutrini.

Il rivelatore “vicino” è utile per determinare la purezza del fascio di neutrini nel suo punto iniziale. Purezza significa che il fascio di neutrini muonici e di antineutrini muonici devono contenere la quantità minima possibile di neutrini elettronici e antineutrini elettronici. Questo è un requisito molto importante per la precisione della misura.

“Il nostro contributo principale è l’installazione dell’argon liquido nel rivelatore vicino, in questo campo Berna ha molti anni d’esperienza.” dice il Dr. Callum Wilkinson, ricercatore post-dottorato nel gruppo di ricerca di Antonio Ereditato.

Quando si parla di Argon, i fisici dei neutrini si entusiasmano: i neutrini, che altrimenti attraverserebbero le sostanze interagendo raramente, rimangono più a lungo nel gas nobile (a causa della sua alta densità). L’ argon è quindi usato da lungo tempo nella rivelazione dei neutrini. Nel caso di DUNE nel rivelatore “vicino” sarà installata una tanica di 5x7x3 metri riempita di argon liquido. Callum Wilkinson e i suoi colleghi di Berna stanno lavorando per assicurarsi che i neutrini vengano osservati in modo affidabile quando interagiscono nella tanica.

Da T2K a DUNE

Callum Wilkinson (29 anni) viene dall’Inghilterra. È cresciuto a Stratford-upon-Avon, la citta natale di William Shakespeare. Come Shakespeare, Wilkinson si è presto dimostrato interessato alle grandi domande. Ha studiato fisica e filosofia nel famoso King’s College a Londra. Nel 2011 si è trasferito all’Universita di Sheffild per proseguire gli studi di dottorato lavorando con il gruppo di ricerca inglese che collaborava con l’esperimento T2K, un esperimento che studia neutrini in Giappone. Dopo aver conseguito la tesi di dottorato si è trasferito a Berna nel 2015, dove ha continuato a lavorare in T2K con il gruppo di ricerca dell'Università di Berna. Subito dopo l’esperto di neutrini ha cominciato a dedicarsi alla preparazione dell’esperimento DUNE.

Callum Wilkinson ora si trova in una grande sala sperimentale nel dipartimento di Fisica di Berna. Nel centro della stanza, una scala permette di arrivare a un contenitore di metallo, che a prima vista potrebbe sembrare per una piscina per immersioni. “Abbiamo costruito uno dei cubi approssimativamente della misura del progetto finale per testarlo quaggiù” dice Wilkinson. I test sono iniziati in agosto 2019. Il lavoro deve essere terminato prima dell’estate 2020 quando le varie componenti saranno spedite negli Stati Uniti e più tardi installate nell’esperimento DUNE.

35 piccoli cubi al posto di una grande tanica

Il cubo di cui Callum Wilkinson parla è di circa 3 metri cubi (1 m x 1 m x 3 m) e fa parte del rivelatore “vicino” di DUNE. Venti di questi cubi saranno necessari per il rivelatore finale. Formeranno la 'camera di proiezione del tempo' il cuore del rivelatore vicino. In termini semplici la camera di proiezione del tempo è una tanica riempita di argon liquido in cui è applicato un campo elettrico.

Se un neutrino colpisce un atomo di argon in questa tanica, gli elettroni vengono sbalzati fuori dal loro orbitale generando una corrente di isotopi (cariche positive) dell’argon e una corrente di elettroni (cariche negative). Nel campo elettrico gli elettroni si muovono verso l’anodo mentre gli isotopi di argon verso il catodo. Con la camera di proiezione del tempo è possibile determinare le tracce degli elettroni e in questo modo di osservare le collisioni (estremamente rare) tra neutrino e argon.

Questo metodo è usato sia nel rivelatore “vicino” che in quello “lontano” dell’esperimento DUNE per l’osservazione dei neutrini. Per rendere la misura il più precisa possibile, gli scienziati devono ricostruire le tracce degli elettroni in modo molto affidabile e accurato. Gli scienziati dell’Università di Berna hanno sviluppato un nuovo prototipo di camera a proiezione per il rivelatore ‘vicino’. L’idea di base è di dividere la camera a proiezione di tempo in 35 piccoli cubi ciascuno di 3 metri cubi. Ognuno di questi cubi ha il suo campo elettrico (più precisamente sono due campi elettrici poiché il catodo è installato nel mezzo tra i due anodi). Con questa sistemazione, la traccia degli elettroni può essere determinata più precisamente e il rivelatore stesso diventa più robusto.

Il rivelatore ‘vicino’ dell’esperimento DUNE dovrebbe osservare 30 milioni di eventi con neutrini all’anno, cioè una collisione al secondo.

Lettura dei chip con pixel

Le camere a proiezione del tempo esistono dagli anni 70. La suddivisione delle grandi camere in piccoli cubi e la loro manipolazione rappresenta uno sviluppo importante di questo strumento di ricerca in fisica. Questa non è l’unica innovazione usata nel rivelatore ’vicino’ di DUNE. Gli elettroni che arrivano all’anodo non vengono più catturati con delle reti metalliche ma con chip basati sulla tecnologia pixel sviluppati al Lawrence Berkely National Laboratory, USA. Il cammino degli elettroni può essere osservato più facilmente usando della luce lampeggiante, l'argon è usato infatti anche come uno scintillatore.

“Berna sta contribuendo in modo importante all'esperimento DUNE, con lo sviluppo supplementare della camera a proiezione temporale ad argon liquido è possibile aumentare significamente la precisione delle misure riguardanti il neutrino” dice Callum Wilkinson.

Ulteriori informazioni sull’esperimento DUNE: www.dunescience.org

Ulteriori informazioni riguardo il dipartimento di Fisica delle alte energie all’università di Berna: www.lhep.unibe.ch

Autore: Benedikt Vogel

  • Dr. Callum Wilkinson (29) lavora nel gruppo di ricerca del Prof. Antonio Ereditato all’Università di Berna nell’esperimento DUNE come esperto nella ricerca dei neutrini.
  • La figura mostra la sezione trasversale del prototipo costruuito all’Universita di Berna dei due cubi che verranno poi installati nella camera a proiezione temporale nel rivelatore ‘vicino’ con gli altri piccoli cubi. I cubi contengono argon liquido e sono operativi in DUNE ad una temeratura di 30 Kelvin (approssimativamente -243 gradi Centigradi).
  • La figura mostra la sezione trasversale del prototipo costruuito all’Universita di Berna dei due cubi che verranno poi installati nella camera a proiezione temporale nel rivelatore ‘vicino’ con gli altri piccoli cubi. I cubi contengono argon liquido e sono operativi in DUNE ad una temeratura di 30 Kelvin (approssimativamente -243 gradi Centigradi).
  • Dr. Callum Wilkinson (29) lavora nel gruppo di ricerca del Prof. Antonio Ereditato all’Università di Berna nell’esperimento DUNE come esperto nella ricerca dei neutrini.Immagine: Photo: B. Vogel, CHIPP,Switzerland1/3
  • La figura mostra la sezione trasversale del prototipo costruuito all’Universita di Berna dei due cubi che verranno poi installati nella camera a proiezione temporale nel rivelatore ‘vicino’ con gli altri piccoli cubi. I cubi contengono argon liquido e sono operativi in DUNE ad una temeratura di 30 Kelvin (approssimativamente -243 gradi Centigradi).Immagine: Grafik:LHEP, CHIPP, Switzerland2/3
  • La figura mostra la sezione trasversale del prototipo costruuito all’Universita di Berna dei due cubi che verranno poi installati nella camera a proiezione temporale nel rivelatore ‘vicino’ con gli altri piccoli cubi. I cubi contengono argon liquido e sono operativi in DUNE ad una temeratura di 30 Kelvin (approssimativamente -243 gradi Centigradi).Immagine: Grafik: LHEP, CHIPP, Switzerland3/3
The Science of the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)

Categorie

  • Fisica delle Particelle Elementari

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