Il futuro della fisica sperimentale

Quanto pesa un neutrino? Da dove arriva la materia oscura? Cosa c'è oltre il bosone di Higgs? Possiamo osservare i neutrini cosmici (sì, ci siamo riusciti).
Sono solo alcune delle domande alle quali proveranno a rispondere i nuovi super esperimenti in corso o in partenza nei laboratori di tutto il mondo. Ecco che cosa stanno cercando e quali strumenti hanno messo in campo.

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Archiviata la caccia al bosone, l’LHC è stato spento e rimarrà in manutenzione per tutto il 2014. Ciò non vuol dire che i ricercatori del CERN se ne staranno con le mani in mano: i due esperimenti ATLAS e CMS, in questi anni, hanno prodotto un’enorme mole di dati che aspettano ancora di essere analizzati.

Che cosa troveranno? Per ora è impossibile dirlo: forse altre particelle esotiche, forse delle conferme sulla supersimmetria, la teoria che associa particelle bosoniche a quelle fermioniche. 

Di sicuro, gli scienziati arriveranno a comprendere sempre meglio il bosone di Higgs e le origini della materia: questa particella infatti, ad oggi, non è stata osservata direttamente ma solo attraverso la rilevazione dei quark e degli anti-quark in cui decade. Ci sono però altri oggetti subatomici, anch’essi frutto del decadimento del bosone, teorizzati a livello matematico ma che gli strumenti non sono in grado di rilevare. 

Secondo alcune teorie potrebbe trattarsi di qualcosa molto simile alla materia oscura rilevata nel cosmo. E se questa teoria fosse confermata, si aprirebbe un nuovo universo di esplorazioni e studi.

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I neutrini sono tra gli oggetti più strani della fisica. Di loro si sa poco: sono quasi senza massa, non riescono ad interagire praticamente mai con la materia ordinaria e, storicamente, la loro analisi ha sempre portato a risultati del tutto inattesi. Ma i ricercatori si aspettano, per i prossimi anni, rivelazioni ancora più sorprendenti: agli Argonne National Laboratory, l’esperimento NOvA (NuMI Off-Axis Neutrino Appearance experiment), sta tentando di scoprire qualcosa in più su queste curiose particelle, prima di tutto la loro massa. 

Al momento si conoscono tre diversi tipi di neutrino - elettronico, muonico e tauonico - tutti con massa 10 miliardi di volte più piccola rispetto a quella dell’elettrone, ma non si sa quale di loro sia il più pesante e quale il più leggero.

Per provare a stilare una classifica, i ricercatori stanno lavorando all'esperimento presso i Fermilab di Chicago: spareranno un fascio di neutrini attraverso il pianeta fino a un ricevitore posizionato ad Ash River, nel Minnesota, a 810 km di distanza.

Nel corso del loro viaggio le particelle oscilleranno attraverso i tre differenti stati: l’analisi delle differenze tra le stazioni di partenza e di arrivo permetterà agli scienziati di determinare le proprietà delle particelle con grande precisione.
NOvA verrà acceso nel 2014 e durerà fino al 2020.

L’esperimento permetterà di rispondere a 3 domande fondamentali: possiamo osservare solo l’oscillazione dei neutrini muonici in elettronici? Quali e cosa sono le masse del neutrino? Qual è e cos'è la simmetria tra materia ed antimateria? L'esperimento sarà da record per diversi motivi: coinvolgerà il fascio di neutrini più potente mai utilizzato (ma niente panico, sono innocui), sarà uno dei più lunghi dal punto di vista temporale e sarà gigantesco per dimensioni della strumentazione.

Il ricevitore di Ash River, un marchingegno da 14.000 tonnellate, è composto da centinata di moduli in PVC rivestiti di fibre ottiche e immersi in un liquido scintillatore: quando i neutrini interagiscono con il liquido producono particelle cariche che rilasciano fotoni. Le fibre ottiche registrano questa luce, rilevando il segnale elettrico quindi il passaggio dei neutrini.

Un esperimento simile a NoVA è in corso in Giappone, verrà condotto su distanze più brevi, circa 295 km, e durerà solo 2 anni.

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La caccia alla materia oscura è in pieno svolgimento ed è assai probabile che nei prossimi anni occuperà un posto di primo piano nelle attività dei fisici. Stiamo parlando di quella componente della materia apparentemente così abbondante nel cosmo ma invisibile e che può essere rilevata solo attraverso i suoi effetti gravitazionali. 

Tra gli esperimenti che nei prossimi anni potrebbero fare un po’ di chiarezza su questa singolare componente dell’Universo c’è Lux (Large Underground Xenon experiment), un grande dispositivo che si trova nei laboratori del Sanford Underground Research Facility, in South Dakota (Stati Uniti).

Attivo da qualche settimana, Lux è in grado di registrare il passaggio di particelle massicce debolmente interagenti con la materia ordinaria (le Weakly Interacting Massive Particles, o WIMP) che sono tra le maggiori indiziate tra i possibili costituenti della materia oscura. 

Il rivelatore di LUX è composto da una specie di thermos alto un metro e mezzo e riempito con 300 kg di xenon liquido mantenuto alla temperatura di -100°C. Il tutto è stato calato nel cuore di una miniera d’oro abbandonata, a 1500 metri di profondità per schermarlo da possibili segnali spuri prodotti dai raggi cosmici. Per minimizzare anche quelli dovuti alla radioattività naturale, è stato ulteriormente circondato da un contenitore riempito con 300.000 litri di acqua purissima. 
«LUX sta già producendo i migliori risultati al mondo e comincia a indicarci uno scenario in cui escludere la presenza di particelle costituenti la materia oscura» spiega Mattew Szydagis, ricercatore dell’Università della California a Davis e coordinatore dell’analisi dati del progetto, al quale collaborano oltre 100  scienziati e ingegneri provenienti da 18 istituti europei e statunitensi.

Per una risposta definitiva dovremo comunque attendere altri dati e ad altre analisi nel corso dei prossimi anni.

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Tra i paradossi del modello standard uno dei più curiosi riguarda l’esistenza stessa della materia: secondo la teoria, durante il Big Bang sarebbero state create materia e antimateria in quantità uguali. Ma visto che questi due elementi si annullano a vicenda, l’Universo non dovrebbe esistere. O, meglio, dovrebbe essere pieno di… nulla.

L’esistenza della materia potrebbe essere spiegata da un fenomeno noto come decadimento beta, un evento che si manifesta quando un neutrone si trasforma spontaneamente in un protone e un elettrone e, nel corso del processo, emette un antineutrino.

In alcuni casi l’antineutrino può non esserci, perchè viene annullato da un neutrone. Ciò significa che l’antineutrino è l’antiparticella del neutrone? Affermarlo con certezza per ora non è possibile, ma se così fosse questo spiegherebbe la maggior produzione di materia rispetto a quella di antimateria nell’Universo primordiale. 
Al momento diversi esperimenti stanno indagando su questo fenomeno.

Tra i più importanti, GERDA (GERmanium Detector Array), in corso presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Il cuore dell’apparato è costituito da rivelatori di germanio arricchiti nell’isotopo 76, immersi nell’argon liquido. Questi sono contenuti in un criostato (uno speciale supercongelatore utilizzato per il raffreddamento di attrezzature scientifiche) di circa 4 metri di diametro e 8 metri di altezza, collocato a sua volta al centro di un serbatoio di acqua ultrapura di 10 m di diametro per 9 m di altezza. L’argon liquido agisce sia come liquido refrigerante, necessario per il funzionamento dei rivelatori di germanio, sia come schermatura dei rivelatori dalla radioattività naturale del criostato.

Altri esperimenti simili sono il MAJORANA, in corso presso i laboratori dell'Università di Berkley e SNO+, in Canada

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La caccia ai neutrini e alle loro proprietà non sempre porta a nuove scoperte. Anzi, in alcuni casi apre la strada a nuovi dubbi e nuovi problemi.

I neutrini sono stati osservati per la prima volta nel 1956 come emissione di un reattore nucleare. Nel 2011 i modelli matematici hanno però evidenziato una piccola frazione di questa emissione che non è mai osservata sperimentalmente. Per mettere alla prova la validità della teoria, che spiega la presenza di queste particelle chiamate neutrini sterili solo sotto forma di interazione gravitazionale con altre particelle, occorrono rilevatori particolarmente sensibili e sofisticati collocati molto vicino a un reattore nucleare.

È quello che stanno facendo i ricercatori giapponesi ed europei con gli esperimenti CeLAND e Sox.

Quest’ultimo è in corso presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, è compiuto con l'esperimento BoreXino (foto) e coinvolge oltre 100 fisici provenienti da Italia, USA, Russia, Germania, Francia e Polonia. SOX studierà le oscillazioni del neutrino, il fenomeno in base al quale i tre neutrini conosciuti (elettronico, muonico o tauonico) si trasformano l’uno nell’altro con variazioni periodiche durante la loro propagazione.

In particolare, questo fenomeno, presenta alcune anomalie e non spiega come mai il numero di neutrini prodotti è inferiore a quanto previsto teoricamente. Una possibile spiegazione della “scomparsa” dei neutrini, suffragata anche da risultati recenti, prevede l’esistenza di altri tipi di neutrini, i neutrini sterili, che si mescolerebbero con i tre noti. 

I nuovi neutrini sarebbero inoltre ancora più elusivi dei neutrini conosciuti dato che non interagiscono con nessuna delle interazioni fondamentali previste dal modello standard (elettromagnetica, nucleare forte e debole),

icecube

Per cercare una particella strana, occorrono strumenti strani. E così gli scienziati, per inseguire i neutrini, hanno realizzato quello che con tutta probabilità è... il telescopio più pazzo del mondo: un blocco di ghiaccio antartico del volume di 1 Km cubo disseminato di sensori che hanno il compito di captare i neutrini provenienti dallo spazio, l'IceCube Neutrino Telescope.

Attivato nel 2010, il telescopio fin’ora ha registrato il passaggio di 28 neutrini di provenienza extra sistema solare. 

Sembra insomma che queste particelle non siano così frequenti come ipotizzato da alcuni modelli astrofisici che ne associano la comparsa con eventi ad altissima energia come i lampi di raggi gamma. 

Ma gli scienziati non si dicono ancora vinti e per riuscire a “fotografare” l’elusiva particella e carpirne i segreti stanno ipotizzando la costruzione di uno strumento ancora più grande: ARIANNA.

Dovrebbe occupare un volume di oltre 1.000 km cubici di ghiaccio sulla banchisa di Ross, sempre nell'Antartico, e dovrebbe permettere di rilevare neutrini con livelli di energia ancora più alti.

lbne

Nei prossimi anni la caccia al neutrino sarà facilitata, o almeno così sperano gli scienziati, da strumenti come il Long Baseline Neutrino Experiment (LBNE), un impianto di rilevazione dedicato a queste particelle costruito all'interno di una miniera dismessa del South Dakota.

Qui verranno captati i neutrini sparati dal Fermilab di Chicago, in Illinois, a 1300 km di distanza. Il costo stimato per la realizzazione di questo impianto è 1,5 miliardi di euro, motivo per cui il governo a stelle e strisce ha deciso di sospendere temporaneamente il progetto e chiedere ai ricercatori di mettere a punto una soluzione più economica.
 
LBNE dovrebbe permettere di rispondere a diverse domande sui neutrini, dalla loro massa all'origine dei neutrini sterili, ma al momento tutto fa supporre che la ricerca delle risposte dovrà utilizzare strumenti meno costosi di questo o attendere tempi economicamente migliori.

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Terminata da poco la caccia Bosone di Higgs, i ricercatori stanno già pensando come ottenere sempre di più dall’ LHC. Per il momento ipotizzano un potenziamento dello strumento che, entro il 2020, renderà possibile lo scontro tra protoni a livelli di energia fino a 30 TeV, circa 3 volte di più rispetto a quelli attuali. Gli scienziati stanno inoltre cercando di aumentare il flusso di protoni in uscita dallo strumento e, contemporaneamente, di ridurre il rumore di fondo che rende difficile cogliere gli eventi prodotti dalle collisioni protoniche ad alta energia.

Sostenibilità economica permettendo, l’LHC potrebbe però presto essere surclassato da un nuovo, gigantesco, collider di particelle, l’International Linear Collider. Al momento il Giappone è in pole position per la realizzazione dell’ impianto (costo stimato 7 miliardi di euro): il governo di Tokyo si è detto disposto a sostenere metà dei costi di realizzazione a patto che l’acceleratore venga costruito sul suo territorio. Ma Europa e Stati Uniti non sembrano essere particolarmente favorevoli a questa ipotesi.

ILC sarà così potente da produrre contemporaneamente moltissimi bosoni di Higgs, grazie ai quali i fisici potranno approfondire le loro conoscenze sulla particella. E magari scoprire qualcosa di nuovo sul modello standard. Se mai verrà finanziato, la sua costruzione inizierà nel 2016 e dovrebbe essere terminata nel giro di 10 anni.

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La scoperta della materia oscura è stata una delle più affascinanti dello scorso secolo ma cosa sia esattamente e come si evolva nel corso delle epoche non è ancora chiaro.

Tra gli esperimenti più interessanti finalizzati allo studio di questa strana componente dell’Universo c’è senza The Dark Energy Survey: iniziata lo scorso anno, ha prodotto le immagini di centinaia di migliaia di galassie e ammassi di galassie distanti migliaia di anni luce da noi. Lo studio di questi oggetti celesti e la loro evoluzione nel tempo permetterà agli astrofisici di comprendere meglio la materia oscura.

Per saperne di più su DES non perderti la fotogallery dedicata ai cacciatori di energia oscura.

Archiviata la caccia al bosone, l’LHC è stato spento e rimarrà in manutenzione per tutto il 2014. Ciò non vuol dire che i ricercatori del CERN se ne staranno con le mani in mano: i due esperimenti ATLAS e CMS, in questi anni, hanno prodotto un’enorme mole di dati che aspettano ancora di essere analizzati.

Che cosa troveranno? Per ora è impossibile dirlo: forse altre particelle esotiche, forse delle conferme sulla supersimmetria, la teoria che associa particelle bosoniche a quelle fermioniche. 

Di sicuro, gli scienziati arriveranno a comprendere sempre meglio il bosone di Higgs e le origini della materia: questa particella infatti, ad oggi, non è stata osservata direttamente ma solo attraverso la rilevazione dei quark e degli anti-quark in cui decade. Ci sono però altri oggetti subatomici, anch’essi frutto del decadimento del bosone, teorizzati a livello matematico ma che gli strumenti non sono in grado di rilevare. 

Secondo alcune teorie potrebbe trattarsi di qualcosa molto simile alla materia oscura rilevata nel cosmo. E se questa teoria fosse confermata, si aprirebbe un nuovo universo di esplorazioni e studi.