Thomas Dalton
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Lo studio del mondo subatomico ha rivoluzionato la nostra comprensione delle leggi dell'universo e ha fornito all'umanità intuizioni senza precedenti su questioni profonde. Storicamente, queste domande sono state nel regno filosofico: come è nato l'universo? Perché l'universo è così com'è? Perché c'è qualcosa, invece di niente?
Bene, passa alla filosofia, perché la scienza ha fatto un passo cruciale nella costruzione dell'attrezzatura che ci aiuterà a rispondere a domande come queste. E coinvolge sparare particelle spettrali chiamate neutrini letteralmente attraverso la Terra su una distanza di 800 miglia (quasi 1.300 chilometri) da un laboratorio di fisica all'altro.
Un gruppo internazionale di fisici ha annunciato di aver visto i primi segnali in un rilevatore a forma di cubo chiamato ProtoDUNE. Questo è un trampolino di lancio molto importante nell'esperimento DUNE, che sarà il programma di ricerca sulla fisica delle particelle di punta dell'America per i prossimi due decenni. ProtoDUNE, che ha le dimensioni di una casa a tre piani, è un prototipo dei rivelatori molto più grandi che verranno utilizzati nell'esperimento DUNE e l'annuncio di oggi (18 settembre) dimostra che la tecnologia selezionata funziona. [I 18 più grandi misteri irrisolti in fisica]
I rivelatori DUNE saranno situati presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), appena fuori Chicago, e il Sanford Underground Research Facility (SURF), a Lead, South Dakota. Quando l'esperimento sarà avviato, un potente acceleratore di particelle al Fermilab farà un intenso fascio di particelle subatomiche chiamate neutrini, sparandole letteralmente attraverso la Terra, per essere rilevate a SURF.
I neutrini sono i fantasmi del mondo subatomico, in grado di attraversare l'intero pianeta quasi senza interazioni. I neutrini hanno sorpreso gli scienziati molte volte in passato. Dalla loro capacità senza precedenti di passare attraverso la materia senza interagire, al fatto che trattano materia e antimateria in modo molto diverso, alla loro capacità di trasformarsi da una versione all'altra, i neutrini continuano ad affascinare la comunità scientifica mondiale. Sono queste ultime due proprietà che l'esperimento DUNE esaminerà.
L'antimateria è qualcosa che suona come fantascienza, ma è sicuramente reale. L'antimateria è l'opposto della materia; riunisci materia e antimateria e si annienteranno in pura energia. L'antimateria fu proposta nel 1928 e osservata per la prima volta nel 1931. Nei decenni successivi, gli scienziati (me compreso) l'hanno studiata in modo estremamente dettagliato. Per lo più è capito, con un mistero rimasto molto irritante. Quando convertiamo l'energia in antimateria, produciamo una quantità identica di materia. Questa è una scienza consolidata. Non è questo il problema.
Il problema è che se combiniamo questa osservazione con l'idea del Big Bang, qualcosa non si blocca. Dopotutto, poco dopo il Big Bang, l'universo era pieno di energia, che avrebbe dovuto trasformarsi in materia e antimateria allo stesso modo. Eppure il nostro universo è fatto interamente di materia. Allora dove è andata a finire quell'antimateria? Questa domanda è senza risposta; ma forse uno studio attento della materia e dei neutrini antimateria potrebbe rivelare una differenza. [Big Bang to Civilization 10 Amazing Origin Events]
Come altre particelle subatomiche, i neutrini e i neutrini antimateria, chiamati antineutrini, hanno una quantità chiamata spin, che ha una somiglianza passeggera, sebbene imperfetta, a palline rotanti. I neutrini e gli antineutrini ruotano in direzioni opposte. Se spari un fascio di neutrini in modo che venga verso di te, puoi fissare l'asse di rotazione dei neutrini; li vedresti girare in senso orario, mentre gli antineutrini ruotano nella direzione opposta. Poiché lo spin dei neutrini e degli antineutrini è l'opposto, ciò identifica una differenza tra i due. Forse questa differenza è un segno che lo studio della materia e degli analoghi dell'antimateria dei neutrini farà luce su questo mistero.
C'è un'altra proprietà dei neutrini che li rende interessanti nell'enigma dell'antimateria mancante ... possono trasformarsi da un'identità all'altra. Gli scienziati hanno trovato tre tipi distinti di neutrini. Un tipo è associato agli elettroni e si chiama neutrini elettronici. Le altre due sono associate ad altre due particelle subatomiche chiamate muone e tau, che sono cugini pesanti dell'elettrone.
Se inizi con un mucchio di neutrini elettronici e poi li guardi un po 'più tardi, scoprirai che ci sono meno neutrini elettronici di quelli con cui hai iniziato, ma ci sono abbastanza neutrini muonici e tau per compensare il deficit. I neutrini non stanno decadendo; si stanno trasformando l'uno nell'altro.
È come se avessi una stanza piena di 100 cani e, quando hai guardato più tardi, c'erano 80 cani, 17 gatti e tre pappagalli. Se guardassi anche più tardi, il mix sarebbe ancora diverso.
Anche il morphing, ciò che gli scienziati chiamano oscillazione, dei neutrini è una fisica ben consolidata. I ricercatori lo sospettano dagli anni '60; erano abbastanza certi che fosse reale nel 1998 e hanno ribadito l'argomento nel 2001. Si verifica un'oscillazione del neutrino e la sua scoperta è stata insignita del Premio Nobel per la Fisica 2015.
L'esperimento DUNE ha diversi obiettivi di ricerca, ma forse il più urgente è misurare prima l'oscillazione dei neutrini e poi l'oscillazione degli antineutrini. Se sono diversi, potrebbe essere che la comprensione di quel processo in modo più dettagliato ci aiuterà a capire perché l'universo è fatto esclusivamente di materia. In breve, potrebbe spiegare perché esistiamo.
L'esperimento DUNE consisterà in due complessi di rivelatori, uno più piccolo al Fermilab e quattro più grandi situati a SURF. Un fascio di neutrini lascerà il Fermilab e si dirigerà verso i rilevatori lontani. Le proporzioni dei diversi tipi di neutrini saranno misurate ai rivelatori sia al Fermilab che al SURF. Verranno misurate le differenze causate dall'oscillazione dei neutrini, quindi il processo verrà ripetuto per gli antineutrini.
La tecnologia che verrà utilizzata negli esperimenti DUNE coinvolge grandi vasche di argon liquido, in cui i neutrini interagiranno e verranno rilevati. Ciascuno dei rilevatori più grandi situati a SURF sarà alto e largo quanto un edificio di quattro piani e più lungo di un campo da calcio. Ciascuno conterrà 17.000 tonnellate di argon liquido.
Il rilevatore ProtoDUNE è un prototipo molto più piccolo, costituito da sole 800 tonnellate di argon liquido. Il volume è abbastanza grande da comprendere una piccola casa. La collaborazione degli scienziati di DUNE è mondiale, attirando ricercatori da tutto il mondo. Mentre Fermilab è il laboratorio ospitante, sono coinvolti anche altri laboratori internazionali. Una di queste strutture è il CERN, il laboratorio europeo di fisica delle particelle, situato appena fuori Ginevra, in Svizzera. Il rilevatore ProtoDUNE si trova al CERN, consolidando ulteriormente una lunga relazione tra i laboratori: ad esempio, Fermilab è stato a lungo coinvolto nella ricerca utilizzando i dati registrati dal CERN Large Hadron Collider. DUNE è il primo investimento del CERN in un esperimento condotto in un laboratorio negli Stati Uniti.
L'annuncio di oggi è importante e dimostra che la tecnologia dell'argon liquido che formerà il cuore dell'esperimento DUNE è stata una buona scelta. Un secondo rilevatore ProtoDUNE sarà online tra pochi mesi. La seconda versione utilizza una tecnologia leggermente diversa per osservare le tracce di particelle causate da rare interazioni di neutrini. I risultati dei test di questi due rivelatori guideranno gli scienziati a una decisione sul progetto finale dei componenti del rivelatore. DUNE sarà costruito nel prossimo decennio e i primi moduli rivelatori dovrebbero essere operativi nel 2026.
Don Lincoln è un ricercatore di fisica al Fermilab. È autore di "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), e produce una serie di video di educazione scientifica. Seguitelo su Facebook. Le opinioni espresse in questo commento sono le sue.
Don Lincoln ha contribuito con questo articolo a Expert Voices: Op-Ed & Insights.