Benvenuto nel mondo affascinante della fisica delle particelle! Immagina di trovarti al cospetto di un esperimento epico, che coinvolge scienziati provenienti da tutto il mondo e che spazia per oltre 1.300 chilometri, attraversando gli Stati Uniti da Illinois fino alla profondità di una miniera d’oro abbandonata nel South Dakota. È qui che prenderà vita il Deep Underground Neutrino Experiment, conosciuto come DUNE, un ambizioso progetto che darà il via alla scoperta dei misteri dell’universo su scala subatomica.
Immagina di essere circondato da un team di esperti, intenti a preparare un collaudato prototipo di 35 tonnellate di rilevatore di argon liquido, pronto per essere sottoposto a test ad alta tensione. Qui, al Fermi National Accelerator Laboratory, verrà generato un intenso fascio di neutrini che, attraversando lo spessore della Terra fino a una profondità massima di 48 chilometri, avrà il compito di interagire con grandi serbatoi di argon ultrapuro.
Questa straordinaria cavalcata nel mondo delle particelle subatomiche sarà gestita da una collaborazione internazionale, e quando sarà finalmente completata, la DUNE diventerà il cuore pulsante del Long-Baseline Neutrino Facility, offrendo la possibilità di svelare i segreti più profondi dell’universo.
Immagina di seguire una mappa che traccia il percorso di questo incredibile esperimento, ti sembrerà di essere in viaggio verso le stelle, guidato dalla curiosità umana e dalla sete di conoscenza. Sì, perché esplorare i confini dell’universo su scala così minuta significa porre le basi per grandi scoperte, gettando uno sguardo nel cuore stesso della materia e delle forze che regolano la nostra esistenza.
E mentre l’umanità si prepara a infrangere ogni limite, tu sarai testimone di uno dei capitoli più affascinanti della storia della ricerca scientifica!
Esplorando più in profondità il sottosuolo
Sai, i neutrini sono delle particelle davvero straordinarie! Sono dei minuscoli fermioni, praticamente privi di massa e carica, che viaggiano a velocità prossime a quella della luce, rendendoli le particelle con la massa più bassa conosciute. E il loro comportamento è così enigmatico che riescono a passare attraverso tutto, persino attraverso ottocento miglia(1,287 chilometri) di roccia senza il minimo problema.
Come facciano gli scienziati a sapere che esistono queste particelle così sfuggenti è tutto un altro mistero! Ecco dove entrano in gioco i rilevatori criogenici delle dimensioni di un edificio. Pensaci: DUNE, con i suoi due rilevatori sotterranei, uno vicino alla fonte di Fermilab (detto “rilevatore vicino”) e l’altro in un’enorme struttura a SURF (il “rilevatore lontano”). Dopo un aggiornamento delle strutture di Fermilab, verrà diretto verso il rilevatore vicino il fascio di neutrini più intenso mai prodotto al mondo, che interagirà con il rilevatore lontano – composto da quattro enormi serbatoi di argon liquido criogenicamente raffreddato. Ma quanto saranno massicci questi serbatoi? Ognuno avrà sei piani di altezza e sarà lungo quanto un campo da calcio, e conterranno 18,739 tonnellate (17,000 tonnellate metriche) di argon liquido super-raffreddato.
Ma a che serve l’argon? Beh, i neutrini pur interagendo debolmente, ogni tanto riescono a collidere direttamente con i nuclei atomici presenti nella materia. Quindi, puntando un fascio molto intenso di neutrini su serbatoi abbastanza grandi di argon ultrapuro, una piccolissima proporzione di queste sfuggenti particelle, per puro caso, andrà a sbattere contro gli atomi di argon. Quando queste collisioni avvengono, dei rilevatori ultra-sensibili all’interno dei serbatoi registrano una sorta di luccichio chiamato scintillazione, e così l’interazione può essere studiata. Tuttavia, dato che questi rilevatori sono così sensibili e le interazioni così piccole, i rilevatori di neutrini sono generalmente sepolti a grandi profondità sotto terra per proteggerli dall’interferenza dei raggi cosmici e altre radiazioni che farebbero un gran caos se fossero esposti in superficie.
Queste debolissime interazioni potrebbero aprirci gli occhi su una nuova fisica e aumentare la nostra comprensione di una delle particelle meno comprese della fisica quantistica. Un viaggio affascinante nel mondo sotterraneo della fisica delle particelle!
Conoscere i Neutrini: Scoprire di più su di loro
Ciao! Oggi ti parlerò dei neutrini, quelle particelle misteriose che provengono dal cuore del nostro sole e che ci forniscono una preziosa connessione con la sua core. I neutrini, insieme ai fotoni ad alta energia, vengono prodotti durante i processi di fusione nucleare all’interno del sole. Mentre i fotoni vengono assorbiti e re-emessi nel plasma solare, i neutrini viaggiano direttamente dal nucleo solare fino alla Terra in pochi minuti.
Ma c’è un’insidiosa complicazione legata ai neutrini solari. Si sa che esistono in tre “gusti” – neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tauonico – e i loro corrispondenti antiparticelle. Mentre viaggiano, i neutrini “oscillano” tra i tre gusti, un po’ come farebbe un camaleonte che cambia colore in risposta all’ambiente circostante.
La vera sfida è che il sole è in grado di generare solo neutrini elettronici nel suo nucleo, quindi quando i fisici hanno cercato di rilevare queste fugaci particelle usando i primi rivelatori ultrasicuri negli anni ’60, ne hanno individuati molto meno di quanti previsti dalla teoria. In un lavoro che ha poi vinto il Premio Nobel, i fisici hanno scoperto la ragione di questa discrepanza. Si è scoperto che i neutrini elettronici prodotti dalla fusione solare oscillano naturalmente tra i tre “gusti” di neutrino – elettronico, muonico e tauonico. Poiché i rivelatori potevano osservare solo i neutrini elettronici, quelli muonici e tauonici sono passati sotto il radar. Non c’era una carenza anomala di neutrini solari elettronici, semplicemente avevano cambiato “gusto” quando hanno raggiunto il rivelatore.
E qui entra in gioco DUNE. Abbiamo bisogno di un esperimento controllato sulla Terra come DUNE per capire queste cambiamenti di “gusto”. Durante l’esperimento, il “gusto” dei neutrini prodotti dall’acceleratore di particelle di Fermilab verrà misurato non appena verranno inviati nella miniera d’oro convertita nel South Dakota. I neutrini ricevuti a SURF potranno quindi essere confrontati con quelli inviati, e potremo acquisire una nuova comprensione della natura quantistica dei neutrini. I fisici misureranno con precisione le masse di questi neutrini e potrebbero persino scoprire altri neutrini oltre ai tre gusti conosciuti.
Insomma, i neutrini sono delle particelle davvero affascinanti e misteriose che ci permettono di esplorare le profondità del nostro sole e dell’universo stesso. Spero che questa panoramica ti abbia incuriosito tanto quanto me!
Ma aspetta, c’è di più. Molto di più.
Parliamo di una delle scoperte scientifiche più affascinanti degli ultimi anni: il progetto DUNE. Questa incredibile iniziativa va ben oltre lo studio delle oscillazioni dei neutrini e potrebbe aiutarci a comprendere il mistero non così piccolo di come il nostro universo esista. Si tratta di una questione filosofica, ma il fatto che il nostro universo sia composto principalmente di materia e non antimateria è una delle grandi domande che si stagliano sulla scienza moderna.
Durante il Big Bang, circa 13.8 miliardi di anni fa, la materia e l’antimateria avrebbero dovuto essere create in parti uguali. Ovviamente, tutti sappiamo cosa succede quando materia e antimateria si incontrano: esplodono o si annichilano, lasciando dietro di sé solo energia. Quindi, se il Big Bang avesse prodotto la stessa quantità di materia e antimateria, non ci sarebbe nulla qui.
Il fatto che NOI siamo qui significa che l’universo ha prodotto leggermente più materia che antimateria, quindi quando è avvenuta tutta quell’annichilazione alla nascita dell’universo, la materia ha vinto e l’antimateria è diventata una rarità estrema. Ciò significa che alcune leggi fisiche fondamentali sono state violate al momento del Big Bang, un enigma che i fisici chiamano violazione di simmetria carica-parità, o “CP violation”. Gli acceleratori di particelle come il Grande Collisore di Adroni possono testare il motivo per cui la natura favorisce la materia sull’antimateria, e anche DUNE lo farà, sperimentando con i neutrini e il loro partner di antimateria, l’antineutrino.
Si prevede che il fascio di neutrini presso l’impianto di produzione di Fermilab sarà operativo entro il 2024, e la costruzione del rivelatore finale di DUNE dovrebbe essere completata entro il 2024. Le speranze sono alte che potremmo essere sull’orlo di un’altra scoperta simile a quella del bosone di Higgs.