Da Tokai a Kamioka inseguendo i neutrini

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1 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)

2 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 )

3 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.

4 Super-Kamiokande durante il riempimento con 50,000 tonnellate di acqua purissima. Sulle pareti i 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 Super- Kamiokande 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. Super- Kamiokande puo distinguere i muoni (che producono un cerchio ben definito) dagli elettroni (che producono un cerchio piu diffuso)

5 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.

6 Uno dei 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 J- PARC. 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 Negli anni seguenti il progetto divenne definitivo (2004) e la costruzione e andata avanti dal 2006 al 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.

7 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

8 Rapidamente riparate... Il magnete di UA1 installato al CERN (inizio anni 80 )

9 Elementi del magnete di UA1 depositati all aperto al CERN di Ginevra dopo lo smontaggio degli esperimenti