Megaprogetti
Osservatorio JUNO: Svelare i Segreti della Massa dei Neutrini
Aggiungi Securities.io alle tue fonti preferite su Google
Catturare un’Immagine della Particella più Elusiva
La fisica fondamentale si è sempre basata su una combinazione di teoria ed esperimenti per far progredire la nostra comprensione dell’Universo.
Fino ad oggi, una delle domande più difficili a cui rispondere riguarda la natura fondamentale della gravità e le forze che guidano l’Universo. È noto da tempo che la risposta probabilmente si trovi in una particella elusiva e quasi impossibile da studiare: il neutrino.
Una comprensione più profonda della natura dei neutrini potrebbe presto essere raggiunta grazie a un megaprogetto cinese: JUNO, o l’Osservatorio Sotterraneo di Neutrini di Jiangmen.
Si tratta di una struttura imponente, frutto di una vasta cooperazione internazionale e di anni di sviluppo.
Dovrebbe integrare i risultati del Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), un rivelatore di neutrini americano che misura i neutrini attraverso 800 miglia di Terra (segui il link per una spiegazione completa di questo megaprogetto).
Fonte: DUNE
Cosa sono i Neutrini?
I neutrini sono particelle elettricamente neutre con una massa estremamente piccola, così piccola che per molto tempo si è ritenuta nulla.
Attualmente non sappiamo perché i neutrini abbiano massa, tranne il fatto che sembra funzionare in modo diverso rispetto alle altre particelle.
Ciò che rende i neutrini unici è che sono essenzialmente particelle “fantasma”, interagendo a malapena con altre forme di materia. Questo perché i neutrini interagiscono solo con 2 delle 4 forze fondamentali dell’Universo: gravità e interazione debole.
Poiché l’interazione debole ha un raggio d’azione molto corto, e la gravità influisce a malapena sui neutrini a bassa massa, i neutrini solitamente attraversano la materia senza interagire o rallentarsi. Di conseguenza, i neutrini viaggiano quasi alla velocità della luce.
I neutrini sono particelle fondamentali che non possono essere suddivise in componenti più piccole e si presentano in 3 varianti: neutrini elettronici, neutrini muonici e neutrini tau. Per complicare ulteriormente le cose, i neutrini sembrano passare regolarmente tra queste 3 varianti.
La transizione tra le 3 varianti dei neutrini è legata alla massa di ciascun tipo di neutrino e contiene risposte sulla natura fondamentale della materia e dell’Universo stesso.
È anche possibile che esista un quarto tipo di neutrino, neutrini sterili, che interagirebbero con la materia solo attraverso la gravità, rendendo ancora più difficile la loro rilevazione rispetto agli altri.
La maggior parte dei neutrini è prodotta da reazioni nucleari, dalla fusione nucleare nelle stelle al decadimento radioattivo al centro della Terra. E all’interno dei reattori nucleari artificiali, un fatto importante per il design di JUNO.
Nonostante la loro elusività, si ritiene che i neutrini siano le particelle più abbondanti nell’Universo. Aprossimativamente mille trilioni di neutrini attraversano il nostro corpo ogni secondo.
(Puoi saperne di più sui neutrini sul sito dedicato “all things neutrinos” creato dal Fermilab.)
Obiettivi di JUNO – Determinare la Gerarchia dei Neutrini
JUNO è costruito specificamente per rispondere alla domanda della “gerarchia di massa dei neutrini”, ovvero quale tipo di neutrino ha quale peso.
Fonte: Berkeley Lab
Questo è ancora poco chiaro, nonostante le masse dei neutrini siano state misurate, perché ciò che viene realmente misurato è il “quadrato della massa” delle particelle. Di conseguenza, la matematica consente due possibili soluzioni ai risultati osservati, la gerarchia normale o invertita.
“Speriamo di capire come i leptoni” — elettroni e i loro parenti — siano nati nei momenti subito dopo il Big Bang, un processo che potrebbe spiegare perché c’è più materia che antimateria nell’universo.
Rispondere a tali domande fondamentali sarà possibile solo se il valore di un termine chiamato “angolo di miscelazione dei neutrini theta uno tre”, scritto θ13, risulterà maggiore di zero.
Scorri per scorrere →
| Tipo di Gerarchia | Ordinamento di Massa | Implicazione |
|---|---|---|
| Gerarchia Normale | Il più leggero = neutrino elettronico; il più pesante = neutrino tau | Supporta le estensioni del modello standard |
| Gerarchia Invertita | Il più leggero = neutrino tau; il più pesante = neutrino elettronico | Indica nuova fisica oltre il Modello Standard |
Progettazione di JUNO
L’erede dell’Esperimento di Neutrini del Reattore Daya Bay
Il lavoro successivo di JUNO è stato condotto presso l’Esperimento di Neutrini del Reattore Daya Bay, che all’epoca veniva realizzato in collaborazione con il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, in un periodo in cui la collaborazione scientifica con la Cina era meno controversa.
Fonte: Wikipedia
Dopo la scoperta premiata con il Nobel intorno al 2000 del fenomeno di oscillazione dei neutrini atmosferici e solari, le strutture di Daya Bay scoprirono per la prima volta nel 2012 una nuova modalità di oscillazione dei neutrini, misurando con precisione l’angolo theta-13 precedentemente menzionato, esattamente per ciò per cui era stato progettato.
Questa scoperta ha completato il quadro teorico dell’oscillazione dei neutrini. Ha inoltre fornito indicazioni per gli esperimenti di nuova generazione nella determinazione dell’ordinamento di massa dei neutrini.
Scegliere la Posizione Giusta
Il rivelatore di Daya Bay è stato concepito per rilevare i neutrini prodotti dalla centrale nucleare Daya Bay e dalla centrale nucleare Ling Ao.
Fonte: ResearchGate
Inizialmente, JUNO doveva essere costruito in una località vicina. Tuttavia, la costruzione di un terzo reattore nucleare (la centrale nucleare Lufeng) avrebbe disturbato l’esperimento, poiché dipende dal mantenimento di una distanza fissa dalle centrali nucleari vicine.
Perciò, è stato costruito in un sito a 53 km (33 miglia) sia dalla centrale nucleare Yangjiang che da quella Taishan.
Fonte: ResearchGate
Il motivo per cui la distanza dalle centrali nucleari è importante è che i neutrini interagiscono molto poco con la materia, ma lo fanno comunque.
E l’interazione con gli elettroni degli atomi della Terra, su chilometri sufficienti di roccia, influisce sull’oscillazione tra i tipi di neutrini.
La distanza più lunga, rispetto ai 2 km della struttura di Daya Bay, consente una maggiore sensibilità e capacità di rilevare l’oscillazione dei neutrini.
Tuttavia, richiede anche un livello di schermatura notevolmente migliorato e un rivelatore molto più grande per catturare un numero sufficiente di neutrini del reattore.
L’intera struttura è sepolta a 700 metri di profondità sotto una montagna per ridurre il tasso di eventi dei raggi cosmici che interferirebbero con la rilevazione delle centrali nucleari più vicine.
Fonte: Global Times
Questa scelta di progettazione ha ridotto l’effetto dei raggi cosmici, altrimenti confondenti il segnale dei neutrini, di quasi 100.000 volte.
Proposto nel 2008 e approvato dall’Accademia Cinese delle Scienze e dalla Provincia di Guangdong nel 2013, JUNO ha iniziato la costruzione sotterranea nel 2015.
L’installazione del rivelatore è iniziata a dicembre 2021 ed è stata completata a dicembre 2024.
JUNO ha un vantaggio da pioniere e presenta un design sperimentale unico in termini di fisica.
Come progetto collaborativo internazionale guidato dalla Cina, JUNO rafforzerà ulteriormente la posizione di leadership della Cina in questo campo.
Una Gigante Vasca Scintillante
La struttura principale di JUNO assomiglia a un’anguria immersa nell’acqua, con l’intera sfera che forma il più preciso e più grande rivelatore di neutrini al mondo.
Per rilevare l’interazione della materia normale con i neutrini, si utilizza un liquido scintillante. Quando un neutrino lo colpisce, l’energia viene convertita in luce.
Fonte: The European Physics Journal
Questa luce viene poi catturata e amplificata dai tubi fotomoltiplicatori (PMT) da 20 pollici e da quelli da tre pollici, nonché da cavi, bobine di schermatura magnetica, paravento luminosi e altri componenti.
Il rivelatore centrale a scintillatore liquido al cuore di JUNO ha una massa effettiva di 20.000 tonnellate, ospitato al centro di una vasca d’acqua profonda 44 metri.
Fonte: Global Times
Una trave in acciaio inossidabile di 41,1 metri di diametro sostiene la sfera acrilica di 35,4 metri, lo scintillatore, 20.000 PMT da 20 pollici, 25.600 PMT da 3 pollici, l’elettronica front-end, i cavi, le bobine di compensazione antimagnetica e i pannelli ottici.
Tutti i PMT operano simultaneamente per catturare la luce scintillante dalle interazioni dei neutrini e convertirla in segnali elettrici.
Fonte: ResearchGate
Volumi Massicci
Da dicembre 2024, la vasca che circonda il sistema è stata riempita con acqua ultra-pura al ritmo di 100 tonnellate all’ora.
Nel giro di 45 giorni, il team ha riempito 60.000 tonnellate di acqua ultra-pura, mantenendo la differenza di livello tra le sfere acriliche interne ed esterne entro pochi centimetri e mantenendo un’incertezza del flusso inferiore allo 0,5%, salvaguardando l’integrità strutturale.
Fonte: IIHE
Questo livello di precisione e manutenzione accurata consentirà una rilevazione dei neutrini comparabile, anche se intercorrono diversi anni tra un evento e l’altro.
Nel complesso, si prevede che l’intera struttura operi per oltre 30 anni.
“Ha richiesto non solo nuove idee e tecnologie, ma anche anni di pianificazione attenta, test e perseveranza. Soddisfare i rigorosi requisiti di purezza, stabilità e sicurezza ha richiesto la dedizione di centinaia di ingegneri e tecnici.”
La vasca protegge il rivelatore dalle interferenze dei rari raggi cosmici, producendo un segnale simile a quello della rilevazione dei neutrini che riesce a penetrare la montagna sovrastante, così come dalla radioattività naturale della roccia circostante.
L’iniezione del liquido avverrà in due fasi. Durante i primi due mesi, l’acqua ultra-pura riempirà gli spazi all’interno e all’esterno della sfera acrilica del rivelatore centrale.
Nei sei mesi successivi, l’acqua ultra-pura all’interno della sfera sarà sostituita con uno scintillatore liquido.
JUNO ha completato con successo il riempimento del suo rivelatore a scintillatore liquido da 20.000 tonnellate e ha iniziato la raccolta dei dati il 26 agosto 2025.
Una Collaborazione Internazionale
JUNO è costruito da un ampio team internazionale con più di 700 membri provenienti da 17 paesi e regioni. Anche gli USA sono presenti nella collaborazione, tramite l’Università della California (7 persone) e l’Università del Maryland (2 persone), mentre la maggior parte degli altri partner internazionali sono paesi europei.
I dati generati saranno inoltre trattati tramite risorse di ricerca internazionali, con la partecipazione dell’Istituto Cinese di Fisica delle Alte Energie, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (CNAF) italiano, del Joint Institute for Nuclear Research russo e del Centre de Calcul de l’IN2P3 francese.
Primi Risultati
Il 24 agosto, è stata rilevata la prima collisione di un neutrino con il liquido scintillante, dimostrando che la struttura è ora pronta a produrre dati scientifici.
Fonte: EyesOnSci
Questi primi dati indicano che, se non altro, JUNO sta performando anche meglio del previsto in termini di sensibilità e precisione di misura.
Tuttavia, ci vorranno ancora alcune settimane o mesi perché la prima misurazione concreta della massa dei neutrini sia confermata, e più tempo perché la comunità scientifica convalidi questi risultati iniziali.
Aggiornamenti Futuri e Esperimenti Globali sui Neutrini
Aggiornamento per Rilevare Antineutrini
Il primo compito di JUNO è consentire all’umanità di conoscere per la prima volta la reale gerarchia di massa dei neutrini. Questo è stato, per decenni, un pezzo mancante del puzzle per comprendere le particelle subatomiche e la struttura dell’Universo.
Armati non solo di una risposta, ma di misurazioni molto più precise che mai, i fisici potranno utilizzare le masse dei neutrini per spingersi più avanti in altri campi della fisica subatomica e quantistica.
Successivamente, l’alta sensibilità di JUNO dovrebbe rendere possibile aggiornare la struttura per risolvere l’altra grande domanda sui neutrini: i neutrini sono la loro stessa antiparticella?
La maggior parte delle particelle ha un’antiparticella, con caratteristiche inverse come la carica elettrica (e forse la massa). Ma poiché i neutrini sono neutri e di bassa massa, non è chiaro quali siano esattamente le caratteristiche degli antineutrini.
Rendendo eventualmente possibile la rilevazione e la misurazione di una reazione chiamata decadimento doppio beta senza neutrini, ancora un processo teorico di decadimento radioattivo, si potrebbe dimostrare che le particelle neutrino sono le proprie antiparticelle, anche chiamate particelle di tipo Majorana o fermioni di Majorana.
Hyper-Kamiokand, DUNE, & Altri
Hyper-Kamiokand, o Hyper-K, è il successore di Super-Kamiokand, che nel 1998 trovò la prima forte evidenza dell’oscillazione dei neutrini tra i tipi di neutrino. Super-Kamiokande fu anche fondamentale per dimostrare che i neutrini hanno massa.
Contrariamente a DUNE o JUNO, che stanno progettando un design completamente nuovo di esperimento sui neutrini, Hyper-K è più un aggiornamento di una tecnologia esistente. Questo probabilmente ne favorirà lo sviluppo più rapido, con l’inizio delle operazioni già nel 2027, intorno allo stesso periodo del DUNE americano.
Ciò potrebbe aiutarlo a fare una stima approssimativa dello squilibrio tra neutrini e antineutrini.
DUNE, Hyper-K e JUNO sono i progetti sui neutrini già in costruzione. Altri sono ancora nella fase concettuale ma potrebbero svelare ulteriori conoscenze della fisica delle particelle.
Uno di questi è Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), un progetto europeo. Cercherà di rilevare il leptone carico creato ogni volta che viene prodotto un neutrino. Questo potrebbe approfondire la nostra comprensione dello squilibrio tra materia e antimateria.
Un altro è NuTag, che utilizza una nuova tecnica sperimentale: il tagging dei neutrini. Questo impiegherebbe un nuovo tipo di linea di fascio di neutrini. È un design già proposto nel 1979, ma solo di recente i rivelatori al silicio sono diventati in grado di sopportare l’esposizione diretta a un fascio di particelle adroniche, rendendo possibile la sua costruzione.
Conclusione
JUNO sarà probabilmente un esperimento scientifico molto importante per risolvere finalmente le domande sulla fisica rimaste senza risposta per decenni, e che hanno ostacolato lo sviluppo di ulteriori progressi nella fisica teorica.
Anche se ciò può sembrare distante dalle nostre preoccupazioni quotidiane, molte delle nostre tecnologie all’avanguardia hanno effettivamente bisogno di una migliore comprensione dei neutrini per progredire.
Ad esempio, un chip di calcolo quantistico (Majorana-1) costruito recentemente da Microsoft (MSFT ) ha letteralmente creato un nuovo stato della materia (topoconduttori) utilizzando una particella Majorana, il tipo di particella che JUNO potrebbe aiutare a comprendere meglio.
Quindi progetti scientifici internazionali avanzati come JUNO servono a stabilire i mattoni fondamentali che in seguito si trasformano in innovazioni rivoluzionarie.
Investire in Neutrino & Innovatori di Particelle Majorana
Microsoft
MSFT Grafico dei prezzi
Microsoft è una delle più grandi aziende tecnologiche al mondo, con un quasi monopolio sui sistemi operativi e una posizione molto forte nel software B2B, attraverso il suo software Office365, i sistemi di cloud computing Azure, i social media LinkedIn, nonché una forte presenza nei videogiochi (Xbox e molti dei più grandi studi di videogiochi al mondo), pubblicità e strumenti di programmazione (GitHub).
L’azienda è anche molto attiva nell’IA, in particolare con il dispiegamento della sua IA Copilot in tutti i suoi prodotti. Gli sforzi di Microsoft nell’IA sono iniziati con una collaborazione con OpenAI, e ora sono più autonomi.
Fonte: Microsoft
Microsoft è anche attiva nel calcolo quantistico, con l’annuncio sorprendente del suo chip Majorana-1. Quando raffreddati quasi allo zero assoluto e sintonizzati con campi magnetici, questi dispositivi formano nanofili superconduttori topologici, contenenti i cosiddetti Majorana Zero Modes (MZM) alle estremità dei fili.
Fonte: Microsoft
(Puoi leggere di più su tutte le attività commerciali e le opportunità di Microsoft nel nostro report di investimento dedicato all’azienda.)
Neutrino Energy
Pur ricca di potenziali applicazioni future, la scienza dei neutrini sembra ancora lontana dall’essere utilizzata regolarmente per applicazioni commerciali. Questo potrebbe cambiare, secondo una startup privata tedesca molto ambiziosa, Neutrino Energy.
L’azienda sta esplorando il concetto molto nuovo di neutrinovoltaics, ovvero la generazione di elettricità dal flusso costante di neutrini intorno a noi. Il funzionamento si basa sull’uso di uno strato di grafene, un materiale 2D fatto di carbonio (segui il link per una spiegazione completa dei materiali 2D come il grafene o il goldene).
Questo metodo mira a convertire il movimento costante degli atomi di grafene, influenzati dalle radiazioni e particelle circostanti come i neutrini, in elettricità utilizzabile. Sebbene promettente in teoria, il processo è ancora non provato e rimane altamente sperimentale. Un fenomeno simile si verifica nel grafene, con i neutrini che “spingono” i nuclei atomici, come avviene con gli atomi di argon nel rivelatore di neutrini DUNE.
L’azienda ha annunciato il suo prossimo primo prototipo, chiamato Powercube, che dovrebbe dimostrare la tecnologia sviluppata con l’assistenza dell’IA.
L’azienda ha anche collaborato con il Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) in India, con l’obiettivo di “creare un veicolo elettrico auto-ricaricante alimentato dalla tecnologia neutrinovoltaica”.
È difficile capire quanto il concetto sia vicino a una commercializzazione, poiché sembra, per ora, essere solo un concetto con poche informazioni sul potenziale output energetico o sull’economia. Ma questo è sicuramente il più vicino a una “azienda di neutrini” attualmente sul mercato.
