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Neutrini, materia e antimateria, le chiavi per svelare l’Universo

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Il più grande rivelatore di neutrini argon-liquido nel mondo ha appena registrato le sue prime tracce di particelle, segnalando l’inizio di un nuovo capitolo nella storia del Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

La missione scientifica di DUNE è dedicata a svelare i misteri dei neutrini, le particelle di materia più abbondanti (e più misteriose) nell’universo. I neutrini sono intorno a noi, ma sappiamo molto poco di loro. Gli scienziati della collaborazione DUNE pensano che i neutrini possano aiutare a rispondere a una delle domande più pressanti della fisica: perché viviamo in un universo dominato dalla materia. In altre parole, perché siamo qui.

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I giganteschi rivelatori

L’enorme rilevatore ProtoDUNE – dalle dimensioni di una casa a tre piani e la forma di un gigantesco cubo – è stato costruito al CERN, il laboratorio europeo per la fisica delle particelle, come il primo di due prototipi per quello che sarà un rivelatore molto più grande per il progetto DUNE, ospitato dal Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Quando i primi moduli rilevatori DUNE registreranno i dati nel 2026, saranno ciascuno 20 volte più grandi di questi prototipi.

È la prima volta che il CERN investe nello sviluppo di infrastrutture e rivelatori per un progetto di fisica delle particelle negli Stati Uniti.

Il primo rivelatore ProtoDUNE ha impiegato due anni per essere costruito e otto settimane per essere riempito con 800 tonnellate di argon liquido, che deve essere mantenuto a temperature inferiori a -184 gradi Celsius (-300 gradi Fahrenheit). Il rilevatore registra tracce di particelle in quell’argon, sia dai raggi cosmici sia da un raggio creato dal complesso acceleratore del CERN. Ora che sono state viste le prime tracce, gli scienziati faranno funzionare il rilevatore nei prossimi mesi per testare a fondo la tecnologia.

“Solo due anni fa abbiamo completato il nuovo edificio al CERN per ospitare due rilevatori di prototipi su larga scala che costituiscono gli elementi costitutivi di DUNE”, ha dichiarato Marzio Nessi, responsabile della piattaforma Neutrino al CERN. “Ora abbiamo il primo rilevatore che acquisisce dati stupendi, e il secondo rivelatore, che utilizza un approccio diverso alla tecnologia dell’argento liquido, sarà online tra pochi mesi.”

La tecnologia del primo rivelatore ProtoDUNE sarà la stessa utilizzata per il primo dei moduli rilevatori DUNE negli Stati Uniti. Sarà costruito un miglio sotterraneo nel Sanford Underground Research Facility nel South Dakota. Più di 1.000 scienziati e ingegneri di 32 paesi in cinque continenti – Africa, Asia, Europa, Nord America e Sud America – stanno lavorando allo sviluppo, alla progettazione e alla costruzione dei rivelatori DUNE.

Studiare i neutrini per svelare l’universo 

“Vedere le prime tracce di particelle è un grande successo per l’intera collaborazione DUNE”, ha detto il co-portavoce di DUNE Stefan Soldner-Rembold dell’Università di Manchester, Regno Unito. “DUNE è la più grande collaborazione di scienziati che lavorano sulla ricerca sui neutrini nel mondo, con l’intenzione di creare un esperimento all’avanguardia che potrebbe cambiare il modo in cui vediamo l’universo.”

Quando i neutrini entrano nei rivelatori e si rompono nei nuclei di argon, producono particelle cariche. Queste particelle lasciano tracce di ionizzazione nel liquido, che possono essere viste da sofisticati sistemi di tracciamento in grado di creare immagini tridimensionali di processi subatomici altrimenti invisibili. (Un’animazione su come funzionano i rivelatori DUNE e ProtoDUNE, insieme ad altri video su DUNE, è disponibile qui: https://www.fnal.gov/pub/science/lbnf-dune/photos-videos.html.)

“Il CERN è orgoglioso del successo della piattaforma Neutrino ed è entusiasta di essere un partner in DUNE, insieme a Istituzioni e Università degli Stati membri e non solo” ha affermato Fabiola Gianotti, Direttore Generale del CERN. “Questi primi risultati di ProtoDUNE sono un buon esempio di ciò che può essere raggiunto quando i laboratori di tutto il mondo collaborano. La ricerca con DUNE è complementare alle ricerche svolte dall’LHC e da altri esperimenti al CERN; insieme hanno un grande potenziale per rispondere ad alcune delle domande in sospeso nella fisica delle particelle oggi.”

Materia e antimateria

DUNE studierà non solo i neutrini, ma anche le loro controparti di antimateria. Gli scienziati cercheranno differenze nel comportamento tra neutrini e antineutrini, che potrebbero darci indizi sul motivo per cui l’universo visibile è dominato dalla materia. DUNE osserverà anche i neutrini prodotti quando una stella esplode, che potrebbe rivelare la formazione di stelle di neutroni e buchi neri, e indagherà se i protoni vivranno per sempre o alla fine decadranno. Osservare il decadimento dei protoni ci avvicina al sogno di Einstein di una grande teoria unificata.

“DUNE è il futuro della ricerca sui neutrini”, ha dichiarato Nigel Lockyer, direttore di Fermilab. “Fermilab è entusiasta di ospitare un esperimento internazionale con un potenziale così vasto per nuove scoperte e di continuare la nostra lunga collaborazione con il CERN, sia sul progetto DUNE che sul Large Hadron Collider.”

 

 

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