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Tanti esperimenti al Fermilab per scoprire i segreti del neutrino

L’importanza dei neutrini 

La fisica delle particelle ha fatto grandi progressi nell’ultimo mezzo secolo sondando la metà  con la modalità quark (una qualsiasi delle particelle subatomiche che trasportano una carica elettrica frazionata, postulata come elementi costitutivi degli adroni. I quark non sono stati osservati direttamente, ma le previsioni teoriche basate sulla loro esistenza sono state confermate sperimentalmente) delle particelle fondamentali. Ora si propone un meccanismo simile per i neutrini. La miscelazione tra le 3 generazioni di neutrini sta cominciando a sembrare molto diverso alla sua controparte quark. Non sappiamo perché, ma probabilmente è importante. I neutrini potrebbe essere la chiave per comprendere il motivo per cui le particelle fondamentali esistono in 3 generazioni.

I neutrini sono le vere stranezze delle particelle fondamentali ( non solo interagiscono debolmente, sono ultra piccoli, ma hanno masse non-zero). La scienza avanza spesso quando si studia le stranezze ( per esempio Comprensione dei processi di vita in generale, studiando la vita attorno ai fori di acque profonde).

I neutrini interagiscono solo debolmente può, ma sono la particella più abbondante nell’universo con un ruolo fondamentale nell’evoluzione del nostro universo.

Una differenza tra come i tipi di neutrini si mescolano e come il mix di tipi antineutrini si ritiene che siano la ragione per cui la materia domina anti-materia nel nostro universo (cioè perché esiste il mondo sulla Terra come lo conosciamo)

MINERvA è il primo esperimento del neutrino nel mondo ad usare un fascio ad alta intensità per studiare le reazioni dei neutrini con cinque nuclei differenti, creando il primo confronto autonomo delle interazioni in diversi elementi. Mentre questo tipo di studio è stato precedentemente fatto utilizzando fasci di elettroni, questo è il primo per i neutrini.MINERvA fornisce le migliori misure di precisione a livello mondiale di interazioni neutrino su vari nuclei, nell’ambito della gamma di energia da 1 a 10-GeV. I risultati di MINERvA vengono usati come input per gli esperimenti attuali e futuri, cercando di studiare oscillazioni al neutrino o la capacità dei neutrini di cambiare il loro tipo.Le misurazioni dell’interazione di neutrino di MINERvA forniscono anche informazioni sulla struttura dei protoni e dei neutroni e sulle dinamiche forti della forza che influenzano le interazioni del neutrino nucleone. Questa ricerca nucleare completa gli sforzi in corso in laboratori che stanno studiando come gli elettroni interagiscono con i nuclei.MINERvA è unica nel campo degli esperimenti di neutrino, grazie alla combinazione del suo compatto rivelatore, all’utilizzo di uno dei fasci neutrini ad alta intensità del mondo e alla vicinanza del rivelatore al fascio. Questo meccanismo fornisce un ampio campione di interazioni di neutrino, consentendo alla collaborazione di eseguire misure di interazione di elevata precisione in una vasta gamma di energie a neutrino e di materiali target.La comprensione delle proprietà dei neutrini e delle forze che regolano il loro comportamento permettono ai fisici di utilizzarli come strumenti per comprendere i nucleoni di funzionamento interiore e per potenzialmente aiutare a sbloccare i misteri della materia oscura, dell’energia oscura e  su come la materia ha dominato l’antimateria nell’universo, la formazione di pianeti e persone.

Il MINOS

Per cercare di spiegare una parte dei misteri del sapore dei neutrini

(Main Injector Nuetrino Oscillation Search) spedisce un raggio di neutrini dal Fermilab, in superficie, fino ad una lontana miniera nel nord della Minnesota, chiamata Soudan mine. Esattamente come OPERA al CERN, il motivo della ricerca è quello di scoprire qualcosa in più riguardo ai cambiamenti di sapore dei neutrini (in fisica quantistica il sapore è un numero quantico delle particelle elementari correlato alle loro interazioni deboli). Ma può essere usato anche per misurare con incredibile precisione la velocità delle particelle che percorrono questa distanza.Quello che cercherà di fare il team di MINOS sarà replicare i loro risultati usando un sistema GPS più sofisticato e più orologi atomici, oltre a luci LED per rilevare il raggio di neutrini. Questi aggiornamenti sono già in fase di allestimento secondo i fisici di “Symmetry Breaking”, un blog pubblicato dal Fermilab e dal SLAC National Accelerator Laboratory.

NOVA

L’esperimento di oscillazione neutrino basata su base Fermilab.
L’esperimento di NOvA è l’esperimento di Fermilab per l’oscillazione di neutrino, utilizzando un fascio intenso di neutrini muoni  prodotti a Fermilab. I neutrini sono diretti al rilevatore lontano da 14 kton liquido-scintillatori situato a 810 km di distanza nel Minnesota settentrionale (fiume di cenere) dopo aver attraversato i 300 ton presso il rivelatore vicino all’origine del fascio. Il rivelatore lontano è stato completato all’inizio del 2014 e attualmente sta prendendo dati. NOvA tenterà di scoprire la gerarchia di massa del neutrino e l’angolo di fase violente CP insieme a molte altre misurazioni interessanti. La prima esecuzione di NOvA dovrebbe durare 6 anni.
Il contributo del gruppo CSU si concentrerà sul funzionamento del rilevatore vicino, nonché sulle misurazioni effettuate con questo rilevatore. Matt Judah spenderà l’estate al laboratorio per sviluppare le competenze in operazioni e manutenzione vicino al rilevatore, mentre inizierà l’analisi dei dati.

PIP-II

Il progetto PIP II

Parte dello schema del Pip II

consentirà un grande aumento del potere die fasci di protoni del Fermilab. Questo, a sua volta produrrà più potenti fasci di neutrini.

Con l’esperimento neutrino NOVA  è stato osservato il primo antineutrino, solo due ore dopo il complesso acceleratore del Fermilab ha saputo commutare l’antineutrino, in modalità di consegna. La collaborazione Nova ha visto la produzione dell’antineutrino nel rivelatore di gran lunga più lontano dell’esperimento, che si trova nel nord del Minnesota. Si  spera su Nova per saperne di più su come e perché il cambiamento neutrini tra un tipo e l’altro. I tre tipi, chiamati sapori, sono il muone, elettrone e neutrino tau. Sulle lunghe distanze, i neutrini possono cambiare fra questi sapori. Nova è stato  specificamente progettato per studiare i neutrini muonici  che cambiano in neutrini elettronici. Svelare il mistero può aiutare gli scienziati a capire il motivo per cui l’universo è composto di materia e perché che la materia non è stato annientato dalla antimateria dopo il Big Bang.

I superneutrini indagati in Giappone

Parte della struttura in grado di indagare sui neutrini anche quelli "reliquia"

Parte della struttura in grado di indagare sui neutrini anche quelli “reliquia”

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.”

 

La cromodinamica quantistica

conoscenze sull'evoluzione delle particelle a partire dell'Universo primitivoAntefatti alla cromodinamica quantistica.

 

Frank Wilczek , premio Nobel per la Fisica, si occupa di cromodinamica quantistica  e afferma che l’Universo non è più quello di un tempo e non è ciò che sembra.

In viaggio nel cuore della struttura della materia e delle sue componenti elementari , come elettroni e quark, ci si pone interrogativi su cosa è, ad esempio, la massa. La prima definizione scientifica della massa risale al 1687 quando Newton, affermava che la massa è una sorta di misura della densità di materia contenuta nei corpi. Oggi, le moderne conoscenze sul concetto di massa sono alquanto più complicate rispetto alla definizione data da Newton e sono descritte dal modello standard  mediante le leggi della meccanica quantistica .

Per ogni tipo di particella elementare, o composta, possiamo scrivere l’equazione di NewtonF = ma, che correla la forza, la massa e l’accelerazione. Tuttavia, la massa, come di solito la intendiamo, va al di là dell’equazione di Newton. Per esempio, la teoria della relatività speciale  prevede che le particelle senza massa viaggiano nel vuoto alla velocità della luce e che invece le particelle che hanno massa si muovono più lentamente e perciò con una velocità che può essere calcolata se conosciamo la loro massa. Le particelle elementari hanno una sorta di massa intrinseca, detta massa a riposo , e quelle che hanno massa a riposo nulla sono le particelle senza massa, come ad esempio i fotoni. Per una particella complessa, come il protone, la massa a riposo dei costituenti e la loro energia cinetica , relativa al moto, e l’energia potenziale , relativa alle interazioni, contribuiscono alla massa totale della particella. E’ noto che massa ed energia sono correlate così come descritto dalla famosa equazione di EinsteinE = mc².  Un esempio di come l’energia contribuisce alla massa si può vedere nella forma di materia a noi più familiare costituita dai protoni e dai neutroni che formano i nuclei atomici, i pianeti, le stelle, gli esseri viventi e tutto ciò che vediamo. Queste particelle costituiscono circa il 4% circa della massa-energia presente nell’Universo. Il modello standard ci dice che i protoni e i neutroni sono composti da particelle più elementari, chiamate quark, che sono a loro volta legate grazie all’interazione di particelle senza massa chiamate gluoni . Sebbene i quark vi si muovono all’interno, noi osserviamo il protone come un oggetto coerente che ha una massa intrinseca, data dalla somma delle masse e delle energie dei suoi costituenti. Perciò il modello standard ci permette di calcolare le masse dei protoni e dei neutroni dall’energia cinetica dei loro costituenti. Dunque, il 4% circa dell’intero Universo è composto dall’energia del moto dei quark e dei gluoni che sono presenti nei protoni e neutroni e che costituiscono la materia ordinaria che conosciamo. E tutto il resto cos’è? Finora non lo sappiamo e l’ignoranza dei fisici su questo argomento ha fatto nascere termini come materia oscura o energia oscura che costituiscono insieme il 96% di ciò di cui è fatto il nostro Universo. La fisica contemporanea raccontata da uno dei suoi massimi esponenti, indaga sulla struttura della materia, nella sua più profonda essenza,per fornirci un quadro coerente e un nuovo mondo soggetto a verifiche sperimentali solo quando l’LHC entrerà, pienamente in funzione.

Cromodinamica quantistica è la teoria che descrive la forza nucleare forte,  cioè come si legano quark e gluoni in protoni e neutroni, e come questi formano i nuclei. La simulazione cromodinamica quantistica sui computer è un modo per esaminare il tipo di complessità che deriva da questa forza nucleare forte. La premessa è che la simulazione fisica su un livello fondamentale è simile alla voglia di simulare lo stesso Universo. I fisici dell’Università di Bonn, in Germania, hanno pubblicato i risultati su questi studi. Anche utilizzando i supercomputer più potenti del mondo, i fisici sono riusciti a simulare solo piccoli angoli del cosmo.

Il punto importante è che la simulazione è quasi indistinguibile dalla realtà, per quanto si riesce a capire . Questo è uno dei motivi per cui alcuni fisici considerano la possibilità che il nostro Universo potrebbe essere ricreato su una rete di computer enormemente potente. Silas e Beane sostengono che ci sono modi per vedere se siano ben simulati, in determinati scenari. Il problema con tutte le simulazioni è che le leggi della fisica debbono essere sovrapposti su un discreto reticolo tridimensionale e sul quale si avanza attraverso incrementi di tempo. Beane  ha aggiunto che la distanza del reticolo impone alcuni tipi di prescrizioni per ricreare  i processi fisici che vediamo nell’universo. Essi si concentrano sui processi ad alta energia, anzichè sondare le più piccole regioni dello spazio per ottenere più energia. Hanno anche scoperto che la distanza reticolare impone un limite fondamentale all’energia che le particelle possono avere, perché nulla può esistere più piccolo del reticolo stesso. Se il cosmo è una simulazione, ci dovrebbe essere un cut-off nello spettro di particelle ad alta energia.                                                                                        Questa interruzione dell’energia delle particelle che compongono i raggi cosmici è conosciuta come il Greisen-Zatsepin-Kuzmin o limite GZK, e avviene perché le particelle ad alta energia interagiscono con la radiazione cosmica di fondo e così perdono energia mentre viaggiano per lunghe distanze. La caratteristica più sorprendente è che la distribuzione angolare dei componenti di alta energia mostrerebbe simmetria cubica nel resto della cornice del reticolo, ma si discosta significativamente dall’ isotropia,(proprietà dei corpi di avere le stesse caratteristiche fisiche in tutte le direzioni) secondo gli stati ipotizzati da Beane.                                                                                   Ciò significa che i raggi cosmici viaggerebbe preferenzialmente lungo gli assi del reticolo, in modo da non poter essere visti in tutte le direzioni. Trovare l’effetto significherebbe che abbiamo potuto vedere l’orientamento del reticolo su cui è simulato il nostro universo. Tuttavia, il reticolo- computer può essere costruito in un modo completamente diverso da quello ipotizzato da questo studio. Un altro problema è che l’effetto è misurabile solo se il cut off del reticolo è uguale al limite GZK. Ciò si verifica quando la distanza reticolo è di circa 10 ^ -12 femtometers. Se la distanza è inferiore, i ricercatori non vedranno nulla.