Da Tokai a Kamioka inseguendo i neutrini

Da Tokai a Kamioka inseguendo i neutrini
Per molto tempo si e’ ipotizzato che i neutrini non avessero massa. Infatti tutti i tentativi di
misurarla sono falliti o hanno portato alla conclusione che se questa massa esisteva doveva essere
molto piccola. In compenso i neutrini presenti nel nostro universo sono tantissimi e anche una
massa infinitesima moltiplicata per milioni di miliardi poteva spiegare alcuni dei misteri che
attanagliano gli scienziati da lungo tempo. Ad esempio dall’osservazione del moto delle galassie è
stato possibile determinare che solo il 10% della massa dell’Universo è visibile o comunque
costituito dalla materia ordinaria composta da atomi. Il rimanente 90% è chiamato Materia Oscura
perché invisibile. Se la massa di una data specie di neutrino fosse almeno 1/30000 di quella
dell’elettrone, parte della Materia Oscura potrebbe essere costituita da neutrini e determinare
l’evoluzione futura dell’Universo.
Una maniera astuta per misurare la massa dei neutrini fu ipotizzata nel 1962 da Pontecorvo che
ipotizzò che i neutrini, se dotati di una pur piccola massa, possono essere soggetti a fenomeni
oscillatori. Si tratta di un fenomeno quantistico ben conosciuto e gia’ osservato fra altre particelle
senza carica. Senza addentrarsi molto nelle formule, questo implica che i neutrini che sono
particelle elementari neutre e si presentano in 3 varianti chiamate “sapori”(elettrone, muone e tau)
possono trasmurarsi da un sapore all’altro con una frequenza che dipende dalla loro differenza in
massa.
I neutrini interagiscono solo attraverso la cosidetta “forza debole” e sono difficili da studiare in
quanto raramente interagiscono con la materia permettendo cosi la loro rivelazione. Ad esempio, i
neutrini-elettrone sono prodotti in grande quantita’ nel sole, ma la maggior parte di essi attraversa
l’intero pianeta Terra senza interagire.
T2K (Tokai to Kamioka) e’ un esperimento in Giappone che studia i fenomeni legati
all’oscillazione di neutrino. T2K e’ una grande collaborazione internazionale composta da piu’ di
400 fisici prevenienti da 3 continenti e da 11 diversi paesi. L’Italia vi partecipa grazie al contributo
dei fisici dell’INFN e delle universita’ ad esso associate.
In particolare T2K ricerca la trasformazione di neutrini-muone in neutrini-elettrone. L’apparizione
di neutrini-elettroni in un fascio di neutrini muonici (oscillazione) non e’ mai stata osservata negli
esperimenti precedenti. T2K puo’ inoltre ottenere la misura piu’ precisa al mondo dell’oscillazione
neutrino-muone – neutrino-tau (che era stata gia’ osservata nel passato)
Il
fascio
di
neutrini
di
T2K
Il viaggio del fascio di neutrini muonici da J-PARC a Super-Kamiokande
L’esperimento T2K invia un intenso fascio di neutrini da Tokai, sulla costa est del Giappone a
Kamioka sul versante ovest del paese, localizzato a 295 Km di distanza da Tokai. I neutrini
vengono prodotti grazie alle collisioni di un tradizionale fascio di protoni su un bersaglio di grafite.
Queste collisioni producono particelle chiamate pioni che rapidamente decadono in muoni e
neutrini muonici. I muoni e i protoni rimandenti sono fermati da un secondo strato di grafite, che
invece i neutrini possono attraversare senza problemi. L’energia dei neutrini prodotti e’ importante
perche’ l’oscillazione dipende anche da questo parametro: neutrini di bassa energia oscillano a una
distanza minore di quelli molto energetici. Il fascio di T2K produce neutrini a una energia il cui
valore piu’ probabile e’ 600 MeV poiche’ proprio a quella energia e’ massima la probabilita’ che
possano oscillare dopo aver attraversato 295 Km. Esiste infatti un rapporto magico (L/E) fra la
distanza(L) e l’energia(E) che permette di osservare il fenomeno dove e’ piu’ probabile che
avvenga. Se, ad esempio, l’energia dei neutrini fosse stata doppia, anche la distanza fra il punto
dove i neutrini sono stati generati e il punto dove vengono misurati dovrebbe raddoppiare. Le
distanze tipiche necessarie nel caso di neutrini prodotti da acceleratore sono di diverse centinaia
fino a un migliaio di chilometri. Per questo gli esperimenti di questo tipo vengono chiamati in gergo
“long baseline” cioe’ su grande distanza.
I rivelatori di T2K
Componenti del rivelatore vicino ( chiamato “ND280”)
Il complesso dei rivelatori vicini ( denominati “ND280”) e’ installato (come suggerisce il nome) a
280 metri dal punto di produzione dei neutrini e permette di misurarli prima che avvengano
fenomeni di oscillazione. I neutrini di T2K sono molto piu’ energetici di quelli solari, e sebbene la
probabilita’ che interagiscano con la materia sia piccola, e’ comunque molto piu’ elevata del caso
dei “solari”. In particolare una piccola frazione interagisce con lo scintillatore o con l’acqua nello
“ND280” e molte di queste interazioni producono muoni. Il muone e’ una particella carica e puo’
essere rivelata poiche’ ionizza il gas contenuto nelle grandi camere a deriva (“TPC”). Inoltre tutti i
rivelatori dello ND280 sono inclusi in un grande magnete superconduttore che permette di
discriminare la carica osservando la curvatura (concava o convessa) delle traiettorie. La storia di
questo strumento e’ perlomeno peculiare. Progettato alla fine degli anni 70’ per lo storico
esperimento UA1 al CERN (che valse il premio Nobel a Carlo Rubbia nel 1984) e’ rimasto per anni
semiabbandonato(vedi foto). Seguendo un’idea di alcuni fisici dell’INFN, e’ stato poi rimesso in
funzione, imbarcato su una nave e spedito in Giappone. Qui ha cominciato una nuova vita. Un
esempio di longevita’ tecnologica e di riciclaggio scientifico ben riuscito.
Le misure effettuate nel “ND280” sono usate per predire il numero dei neutrini muonici che ci
aspettiamo di vedere nel rivelatore lontano “Super-Kamiokande” nel caso non ci siano oscillazioni.
Un evento nel rivelatore ND280. Il neutrino (invisibile) interagisce con lo scintillatore (viola) e
produce un muone negativo e un protone (visibili nel gas in verde). Dalla curvatura delle traccie si
puo’ stabilire la carica della particella, mentre la ionizzazione permette di stabilirne la massa. A
destra sovrapposto il diagramma del processo.
La maggioranza dei neutrini attraversa l’ “ND280” senza interagire e prosegue il suo viaggio a una
velocita’ di poco inferiore alla velocita’ della luce fino a raggiungere il gigantesco rivelatore
denominato “Super-Kamiokande”. Esso e’ installato a 1000 metri sottoterra nella miniera di
Kamioka nel Giappone Occindentale a 295Km da Tokai. Super-Kamiokande e’ un enorme cilindro
(39m di diametro, 42m di spessore) riempito di acqua ultra pura. A causa della differenza di
copertura angolare , solo una piccola frazione dei neutrini che attraversano l’ND280 raggiungono il
rivelatore posto a 295Km. Per compensare la riduzione di flusso, i rivelatori “lontani” dal punto di
partenza devono essere molto grandi. Qui, di nuovo la maggioranza dei neutrini continua il suo
viaggio senza lasciarsi vedere ma (fortunatamente per noi) una piccola frazione interagisce con
l’acqua.
Super-Kamiokande durante il riempimento con 50,000 tonnellate di acqua purissima. Sulle pareti i
10.000 fototubi utilizzati per rivelare la luce prodotta dai neutrini che vi interagiscono.Sullo sfondo
si riconoscono due tecnici che effettuano i controlli utilizzando un canotto.
In molti casi l’interazione di un neutrino muonico produce un muone, mentre le interazioni dei
neutrini elettronici producono elettroni. I muoni e gli elettroni sono particella cariche, e a loro volta
interagiscono con gli elettroni durante il loro passaggio nell’acqua. Dopo breve tempo gli elettroni
ritornano nel loro stato di equilibrio iniziale ed emettono luce. Se la particella che ha attraversato
Super-Kamiokande viaggia a una velocita’ superiore a quella della luce nell’acqua (che e’ circa ¾
di quella nello spazio vuoto), questa luce e’ emessa in un cono conosciuto come radiazione
Cerenkov, dal nome dello studioso che per primo studio’ il fenomeno. Le pareti di SuperKamiokande sono attrezzate con piu’ di 10,000 sensibilissimi photo-moltiplicatori di grande
dimensione che sono in grado di rivelare la cosidetta “ luce Cerenkov” come un cerchio. SuperKamiokande puo’ distinguere i muoni (che producono un cerchio ben definito) dagli elettroni (che
producono un cerchio piu’ diffuso)
Un evento nel rivelatore Super-Kamiokande. I fototubi accessi sono indicati con colori diversi a
seconda della luce raccolta. Il cerchio di luce “Cerenkov” generato da un neutrino di circa 500
MeV ha un diametro di parecchi metri.
Uno dei 10.000 “occhi” elettronici (fototubi) di SuperKamiokande durante l’ispezione prima del
montaggio
Se vuoi vedere dal vivo la formazione dei coni di luce in Super-Kamiokande clicca qui. Vedrai la
mappa dei fototubi all’interno del rivelatore, relativa ad un evento appena registrato. Il display viene
aggionato circa ogni 15 secondi. Se ti interessa una spiegazione dettagliata (in inglese) clicca qui.
La maggioranza degli eventi che vedrai sono dei muoni che attraversano Super-Kamiokande dal
basso verso l’alto non sono neutrini del fascio di T2K! Infatti la maggioranza delle interazioni
sono dovute a neutrini generati nel sole o nell’atmosfera. Solo poche centinaia di interazioni
all’anno (dei milioni registrati da Super-Kamiokande) sono dovute ai neutrini che provengono da JPARC.
Le oscillazioni da neutrino muonico a neutrino elettrone sono viste in Super-Kamiokande come
cerchi diffusi di luce da elettroni prodotti nelle interazioni di neutrini-elettroni con l’acqua.
Ventotto di questi eventi sono stati visti in Super-Kamiokande , mentre se ne attendevano solo 4,6
in base alle misure effettuate nel rivelatore vicino. La probabilita’ che una fluttazione statistica
possa generare questo effetto e’ inferiore a uno su mille miliardi. T2K ha dimostrato oltre ogni
ragionevole dubbio che i neutrini-muonici di trasmutano in neutrini-elettroni e quindi che hanno
una (anche se piccolissima) massa. Questa e’ una scoperta molto importante.
T2K studia anche le oscillazioni fra neutrini muonici e neutrini tau , ma queste sono viste come una
riduzione (sparizione) del numero di neutrino muonici rivelati a Super-Kamiokande rispetto a quelli
misurati con lo “ND280”.
Breve storia di T2K
Il primo documento in cui si proponeva la realizzazione dell’esperimento T2K e’ del 2001. Negli
anni seguenti il progetto divenne definitivo (2004) e la costruzione e’ andata avanti dal 2006 al
2009. La presa dati e’ cominciata nel gennaio 2010 , per essere poi bruscamente interrotta l’11
marzo 2011 a causa del devastante terremoto che ha colpito la costa del Giappone nord-orientale.
Grazie all sforzo di tutto il personale di J-PARC l’esperimento e’ pero’ ripartito dopo meno di un
anno. (vedi foto in basso). Dal marzo 2012 ha raccolto 3,5 volte i dati del pre-terremoto e conta di
raccoglierne molti altri nei prossimi anni. In un prossimo futuro T2K si propone anche di
raccogliere dati utilizzando anti-neutrini (le anti-particelle dei neutrini) come fascio. Lo scopo e’
quello di risolvere uno dei piu’ grandi enigmi della scienza e cioe’ la cosiddetta violazione della
simmetria (CP). Quest’ultima potrebbe essere la causa ultima della prevalenza della materia
sull’antimateria nei primissimi istanti dell’Universo dopo il Big Bang.
Strutture di JPARC danneggiate subito dopo il terremoto
Rapidamente riparate....
Il magnete di UA1 installato al CERN (inizio anni 80’)
Elementi del magnete di UA1 depositati all’aperto al CERN di Ginevra dopo lo smontaggio degli
esperimenti