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Esperimento di Neutrini Profondi Sotterranei (DUNE): Decifrare i Misteri dell’Universo
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Catturare un’Immagine della Particella più Elusiva
La fisica fondamentale ha sempre combinato teoria ed esperimenti per ampliare la nostra comprensione dell’Universo. Una delle questioni ancora più difficili riguarda la natura fondamentale della gravità e le forze che guidano l’evoluzione dell’Universo. Le proprietà dei neutrini, particelle elusive ed estremamente difficili da studiare, potrebbero offrire indizi importanti.
Questo è l’obiettivo del megaprogetto Deep Underground Neutrino Experiment, aka ‘DUNE.’ Si tratta di un’impresa impressionante che si estende su più stati negli Stati Uniti e coinvolge più di 800 miglia / 1.300 km di esperimenti sotterranei.
Cosa sono i Neutrini?
I neutrini sono particelle elettricamente neutre con una massa estremamente piccola che per lungo tempo si è ritenuta nulla. Attualmente, non sappiamo affatto perché i neutrini abbiano massa, tranne 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 molto corto, e la gravità influisce appena sui neutrini a bassa massa, i neutrini di solito attraversano la materia senza interagire o rallentare. 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 spostarsi regolarmente tra queste 3 varianti.
È anche possibile che un 4th esista anche neutrini sterili, ancora più difficili da rilevare 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.
Nonostante la loro elusività, si pensa che i neutrini siano le particelle più abbondanti nell’Universo. Circa 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.
Il Design di DUNE
Come possiamo rilevare e studiare una particella che viaggia alla velocità della luce quando non interagisce nemmeno con la materia normale? Questa è la domanda a cui DUNE cerca di rispondere.
DUNE si estenderà tra Fermilab, il laboratorio americano di fisica delle particelle e acceleratori in Illinois, e il Sanford Underground Research Facility (SURF o Sanford Lab) nel South Dakota.
Fonte: DUNE
I diversi siti avranno ciascuno il proprio compito specializzato da svolgere.
Fermilab
Un acceleratore di protoni chiamato Proton Improvement Plan-II (PIP-II) è utilizzato presso il sito di Fermilab per creare un flusso di neutrini. PIP-II è un aggiornamento rispetto alla precedente accelerazione di particelle al Fermilab. Utilizza tecnologie a radiofrequenza superconduttiva per fornire potenti fasci di protoni che, viaggiando quasi alla velocità della luce, possono essere adattati a una varietà di esperimenti.
Le strutture di accelerazione saranno raffreddate a 2°K (-456°F / -271°C, 2 gradi sopra lo zero assoluto) per fornire un’accelerazione efficiente e ad alta potenza.
Questo raffreddamento è ottenuto grazie a un’enorme unità di raffreddamento delle dimensioni di un magazzino, ancora in costruzione.
Fonte: Fermilab
Una parte dell’unità di raffreddamento, il cryogenic coldbox, è stata costruita in Europa dal CERN e è arrivata al Fermilab nel dicembre 2024.
Fonte: Fermilab
Fermilab avrà anche un rivelatore che registrerà le interazioni delle particelle vicino alla sorgente del fascio. È stata costruita una collina alta 18 metri (60 piedi) per inclinare la linea del fascio all’angolo corretto per inviare i neutrini verso il South Dakota. Il fascio di particelle è puntato verso il basso per tenere conto della curvatura della Terra e non viene fermato dalle 800 miglia di roccia intermedie.
Fonte: Fermilab
Sanford Underground Research Facility (SURF)
SURF ospiterà il più grande rivelatore di neutrini di questo tipo mai costruito al mondo. Utilizzerà 70.000 tonnellate di argon liquido per catturare il neutrino che interagisce con la materia normale.
In totale, saranno costruiti 4 moduli rivelatori, supportati da grandi sistemi criogenici.
Fonte: Fermilab
Questo viene costruito in profondità sotterranea, a 1 miglio / 1,5 km di profondità, riutilizzando un vecchio pozzo di una miniera d’oro per andare in profondità e costruire una massiccia caverna artificiale sotterranea.
In totale, circa 800.000 tonnellate di roccia sono state scaviate per creare spazio per i quattro moduli del rivelatore lontano di DUNE e le necessarie infrastrutture sotterranee. Queste rocce sono state scaricate in una zona mineraria precedente.
Fonte: Fermilab
Insieme, l’acceleratore di protoni di Fermilab, il rivelatore e i rivelatori di neutrini di SURF formano il Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF).
Cosa può Raggiungere DUNE?
È sempre difficile prevedere esattamente cosa otterrà un esperimento di fisica delle particelle, che è, dopotutto, lo scopo principale. Tuttavia, possiamo aspettarci progressi su tre diversi argomenti dal progetto DUNE.
Origine della Materia
Dalla esplosione iniziale di materia e antimateria al Big Bang, la materia è diventata la particella dominante nell’Universo. Non è ancora chiaro il perché, poiché si pensa che entrambe siano state create in quantità uguali.
I neutrini potrebbero essere la risposta. Alcuni fisici pensano che i neutrini siano unici in quanto sono anche le proprie antiparticelle. Altri pensano che lo spostamento dei neutrini tra i sapori sia la parte importante. In ogni caso, i neutrini potrebbero aver inclinato la bilancia verso il dominio attuale della materia.
In alternativa, se si dimostrerà che i neutrini non sono responsabili, ciò significherebbe che i fisici dovranno ridisegnare le loro teorie sull’origine dell’Universo.
Unificazione delle Forze
La connessione tra le 4 forze fondamentali (elettromagnetismo, interazione nucleare debole, interazione nucleare forte e gravità) è ancora poco compresa.
DUNE potrebbe aiutare a rilevare qualcosa di teorizzato ma mai osservato sperimentalmente: il decadimento del protone.
Gli scienziati di oggi si basano principalmente sul Modello Standard della fisica delle particelle. È un quadro solido, ma non riesce a spiegare alcuni fenomeni e a unificare le diverse forze. Se misurato, il decadimento del protone ci fornirebbe intuizioni su quale modello alternativo funzionerebbe al posto delle teorie di grande unificazione (GUT), della gravità quantistica, della supersimmetria, ecc.
Buchi Neri
I neutrini sono prodotti in grandi quantità durante il collasso delle stelle in buchi neri. L’eccezionale capacità di rilevazione dei neutrini di DUNE potrebbe aiutarci a osservare cosa accade all’interno delle stelle di neutroni e, potenzialmente, assistere alla nascita di un buco nero.
Questo, a sua volta, potrebbe aiutarci a comprendere meglio la gravità, sia a scala cosmica che quantistica.
Le Persone di DUNE
DUNE coinvolge più di 30 paesi e 1.000 scienziati.
Fonte: DUNE
Sarebbe impossibile delineare il contributo di ogni scienziato a questo massiccio progetto collettivo. Possiamo, tuttavia, evidenziare la partecipazione di alcuni di loro:
Pantaleo Raimondi
È il nuovo direttore del progetto per il Proton Improvement Plan II, dopo una vita di lavoro sugli acceleratori di particelle al CERN, DAFNE e ESFR.
“Pantaleo è entrato in PIP-II al momento giusto. Mentre il progetto conclude tutte le attività di progettazione finale, avanza nella fase di approvvigionamento e inizia la pianificazione dettagliata dell’integrazione e della messa in servizio, la sua esperienza nella guida di questi sforzi all’ESRF e altrove sarà inestimabile.”
Carlo Rubia
Un Premio Nobel e ex direttore del CERN, ha sviluppato per primo il metodo di rilevazione dei neutrini utilizzato da DUNE.
Durante il suo mandato, nel 1993, “Il CERN ha accettato di permettere a chiunque di usare il protocollo Web e il codice gratuitamente … senza alcuna royalty o altra restrizione”.
Puoi ascoltarlo parlare del progetto DUNE e di altri progetti di ricerca sui neutrini come ICARUS in questo video.
Alexandre Sousa
Specialista in neutrini, ha un focus particolare sui neutrini sterili e sulla fisica “beyond-the-standard-model”.
“Potrebbe non fare differenza nella tua vita quotidiana, ma stiamo cercando di capire perché siamo qui. I neutrini sembrano contenere la chiave per rispondere a queste domande molto profonde.
“Con questi due moduli rivelatori e il fascio di neutrini più potente mai realizzato possiamo fare molta scienza. L’entrata in funzione di DUNE sarà estremamente eccitante. Sarà il miglior esperimento di neutrini di tutti i tempi.”
Costi Crescenti e Cronologia
La costruzione del progetto è iniziata nel 2017, e la prima escavazione in Dakota è iniziata nel 2019. La prima escavazione per la caverna principale in Dakota è iniziata nel 2021.
Ad agosto 2024, il rivelatore prototipo ha registrato i suoi primi neutrini prodotti dall’acceleratore.
Fonte: DUNE
Tuttavia, non è stato un processo lineare. Per esempio, il pozzo della miniera ha dovuto essere ristrutturato prima che la roccia potesse essere estratta per costruire le caverne sotterranee, ritardando il progetto e costando almeno $300M in più.
L’aggiornamento dell’acceleratore di particelle di Fermilab è arrivato con un altro conto da $1B. L’aggiornamento ha anche comportato un grave incidente, con un operaio caduto da 23 piedi sul cemento, provocando un’interruzione di sei mesi dei lavori fino a quando le procedure di sicurezza potessero essere riviste.
Nel complesso, le stime iniziali del progetto prevedevano un costo di $1,5B e il completamento entro il 2035. Ora sembra più probabile $3,3B e una scadenza nel 2040. Tenendo conto di tutto, il progetto potrebbe costare fino a $5B ai contribuenti americani.
Ciò ha portato a qualche critica nella stampa e da parte di scienziati non coinvolti.
“Sì, c’è un po’ di rumore là fuori, ma le persone che scrivono quelle cose non sanno di cosa parlano. I primi giorni di un progetto sono sempre definiti da un ottimismo travolgente che non si dimostra mai vero.
Il James Webb Space Telescope è stato lanciato a dicembre 2021 dopo anni di ritardi e superamenti di costi, e ora rompe regolarmente il terreno cosmico. Non c’è rimedio migliore del successo.”
Ron Ray, vice direttore del progetto DUNE
Tuttavia, anche con ritardi e costi aggiuntivi, abbandonare DUNE significherebbe vedere gli Stati Uniti indietreggiare rispetto al resto del mondo nella fisica delle particelle.
La Concorrenza Sta Accelerando
Questo è particolarmente vero poiché altri 2 megaprogetti di sperimentazione dei neutrini stanno anch’essi accelerando. Uno in Giappone e uno in Cina.
“Qualsiasi cosa valga la pena fare comporta concorrenza. Ma non è una semplice corsa di cavalli; gli esperimenti sui neutrini hanno sempre coinvolto la collaborazione internazionale.
Inoltre, DUNE ha obiettivi aggiuntivi, che includono la ricerca della materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce la maggior parte del cosmo, e lo studio dei neutrini dalle morti catastrofiche di stelle lontane.
Dietro le quinte, gli scienziati di DUNE hanno fatto progressi costanti verso il perfezionamento del rivelatore a argon liquido, che era ancora una tecnologia nascente nel 2012 quando i progettisti di DUNE hanno scommesso su di essa. Guardando l’intera lista di cose che avrebbero potuto andare diversamente, è come se tutte le stelle si allineassero.”
Sam Zeller – Fisico al Fermilab
Hyper-Kamiokand
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-Kamiokand fu anche fondamentale per dimostrare che i neutrini hanno massa.
Contrariamente a DUNE, che sta cercando di costruire un design completamente nuovo di esperimento sui neutrini, Hyper-K è più un aggiornamento della tecnologia esistente. Questo probabilmente lo aiuterà a progredire più rapidamente, con l’inizio delle operazioni già nel 2027.
Ciò potrebbe aiutarlo a fare una prima, approssimativa stima dello squilibrio tra neutrini e antineutrini.
Hyper-K e Dune potrebbero essere più partner che concorrenti, poiché diversi metodi di rilevazione dei neutrini possono aiutare nell’esecuzione della stessa misurazione. Alcune misurazioni specifiche potrebbero funzionare meglio su uno rispetto all’altro per ragioni tecniche. Poiché Giappone e USA hanno una lunga storia di collaborazione scientifica, è probabile che sia più una rivalità amichevole tra Hyper-K e DUNE.
Osservatorio di Neutrini Sotterraneo di Jiangmen (JUNO)
Nel contesto della grande competizione di potere tra USA e Cina, JUNO è probabilmente vista come una concorrente di DUNE.
JUNO detiene 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.
Il rivelatore è realizzato a partire da una piscina cilindrica profonda 44 metri nella sala sotterranea sepolta in uno strato di granito di una collina. Da dicembre 2024, è stato riempito con acqua ultra-pura al ritmo di 100 tonnellate all’ora.
Fonte: Global Times
Questa piscina ospita il rivelatore, che è dotato di 20.000 tubi fotomoltiplicatori da 20 pollici e 25.000 tubi fotomoltiplicatori da tre pollici, oltre a cavi, bobine di schermatura magnetica, paravento luminosi e altri componenti.
La piscina protegge il rivelatore dalle interferenze dei raggi cosmici nella rilevazione dei neutrini, 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 dentro e fuori la sfera acrilica del rivelatore centrale. Nei sei mesi successivi, l’acqua ultra-pura all’interno della sfera sarà sostituita con uno scintillatore liquido.
Si prevede che l’intero processo di iniezione del liquido sarà completato entro agosto 2025, dopodiché la struttura inizierà ufficialmente le operazioni e la raccolta dati.
Progetti Futuri di Neutrini
DUNE, Hyper-K e JUNO sono i progetti di neutrini già in costruzione. Altri sono ancora nella fase concettuale ma potrebbero sbloccare una comprensione più approfondita 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 userebbe un nuovo tipo di linea di fascio di neutrini. Questo è un design già proposto nel 1979, ma solo di recente i rivelatori al silicio sono diventati in grado di sopravvivere all’esposizione diretta a un fascio di sorgente di adroni.
Conclusione DUNE
DUNE è il tipo di megaprogetto scientifico che non sembra avere un’applicazione diretta a prima vista. In questo, è molto simile alla maggior parte delle prime scienze della fisica delle particelle e della fisica quantistica del primo 20 secolo.
Questa prima indagine sull’aspetto fondamentale della nostra realtà, tuttavia, produrrà alla fine risultati necessari per progressi come l’energia nucleare (e le bombe), la microscopia elettronica, i microchip avanzati, i satelliti, ecc.
È probabile che una comprensione più profonda dei neutrini avrà risultati simili a lungo termine sul progresso tecnologico, con la maggior parte delle innovazioni decenni dopo impossibili da prevedere.
Migliore comprensione dei neutrini e di come produrli potrebbe anche avere una serie di applicazioni:
- Trasformare il combustibile esausto dei reattori nucleari in materiali con minore radioattività, o usare i neutrini per monitorare il combustibile radioattivo.
- Usare i neutrini per monitorare i sottomarini nucleari subacquei, l’obiettivo del programma segreto di DARPA Experimental Neutrino Detector.
- Ispezionare la Terra alla ricerca di cavità con potenziali depositi di petrolio o minerali.
- Comunicazione tramite neutrini, potenzialmente anche comunicazioni interstellari nel lontano futuro.
Azienda Neutrino
Neutrino Energy
Sebbene ricca di potenziali applicazioni future, la scienza dei neutrini sembra lontana dall’essere regolarmente utilizzata 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 di carbonio (segui il link per una spiegazione completa di materiale 2D come il grafene o il goldene).
Questo metodo convertirebbe il movimento termico (browniano) degli atomi di grafene in elettricità utilizzabile, producendo essenzialmente energia dal nulla. Un fenomeno simile sta avvenendo al 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, destinato a 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, mirando a “creare un veicolo elettrico auto-ricaricante alimentato dalla tecnologia neutrinovoltaica”.
È difficile capire quanto il concetto sia vicino a una commercializzazione, poiché sembra che per ora sia solo un concetto con poche informazioni sul potenziale output di potenza o sull’economia. Ma questo è sicuramente il più vicino a una “azienda di neutrini” attualmente sul mercato.
