JUNO: un rivelatore gigante per svelare i misteri dei neutrini

La messa in funzione del gigantesco rivelatore JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) fa parte di una lunga ricerca iniziata circa 90 anni fa, ovvero descrivere le proprietà dei neutrini e comprendere il ruolo che svolgono nel modo in cui funziona l’Universo.

Sono le particelle fondamentali più abbondanti nell’Universo: si stima che circa 400 trilioni di neutrini emessi dal solo Sole passino attraverso di noi ogni secondo.

La ragione per cui non li sentiamo è che difficilmente interagiscono con la materia.

Di conseguenza, sono estremamente difficili da rilevare, motivo per cui sappiamo ancora molto poco sui neutrini e sulle loro proprietà nonostante decenni di ricerca.

Sappiamo che esistono tre diversi tipi di neutrini, che hanno masse minuscole – anche se nessun esperimento è ancora riuscito a determinarle con precisione – e che sono in grado di passare da un tipo all’altro mentre viaggiano, un fenomeno noto come oscillazione.

A complicare ulteriormente le cose, i neutrini sono particelle neutre che non producono alcun segnale diretto nei rivelatori.

Gli scienziati devono ricorrere all’osservazione del risultato delle loro rare interazioni con altre particelle. Il gigantesco rivelatore JUNO, progettato da una collaborazione internazionale che coinvolge diversi laboratori del CNRS in Francia, utilizza uno di questi metodi di rilevamento indiretto su larga scala e in condizioni ottimali per aumentare il numero di particelle rilevate e migliorare la precisione.

Situato a 700 metri di profondità tra le due principali centrali nucleari di Yangjian e Taishan, che forniscono entrambe un abbondante flusso di neutrini artificiali, questo rivelatore leader a livello mondiale è costituito da un recipiente sferico trasparente di 35,4 metri di diametro riempito con 20.000 tonnellate di uno scintillatore liquido altamente sensibile in cui qualsiasi interazione di un neutrino con questo mezzo dà origine a un lampo di luce.

Circa 43.212 fotomoltiplicatori (rivelatori di luce in grado di rilevare un singolo fotone) posizionati tutt’intorno alla sfera trasparente la monitorano continuamente, alla ricerca di eventuali lampi.

È il segnale combinato di queste decine di migliaia di “occhi” che rende possibile determinare le proprietà dei neutrini che causano i lampi.

La vasca sferica è a sua volta immersa in una piscina di acqua ultrapura di 44 m di diametro ed è ricoperta da un vasto rivelatore chiamato Top Tracker, il cui compito è quello di identificare e caratterizzare la presenza nel rivelatore di particelle vaganti come i muoni cosmici, al fine di evitare qualsiasi confusione con i segnali di neutrini provenienti dalle centrali elettriche.

Per un periodo di circa 10 anni, il rivelatore si concentrerà principalmente sulla caratterizzazione del fenomeno dell’oscillazione dei neutrini nel modo più preciso possibile.

In particolare, i fisici cercheranno di determinare l’esatta frequenza con cui i neutrini provenienti dai reattori nucleari cambiano da un tipo all’altro.

Più accurata si rivelerà questa misurazione, più gli scienziati saranno in grado di dedurre altri valori che dipendono da essa.

Uno di questi valori è di particolare interesse: la gerarchia di massa dei neutrini, in altre parole, quale dei tre tipi di neutrino è il più massiccio e quale è il meno.

La risposta “logica” sarebbe che segue l’ordine di massa di altre particelle, ma la fisica dei neutrini è così sconcertante che gli scienziati potrebbero avere una sorpresa sotto forma di una gerarchia diversa.

Tuttavia, al di là della necessità di ottenere una comprensione più profonda dei neutrini stessi, questa ricerca a lungo termine è di importanza cruciale in molte aree della fisica.

In cosmologia, i neutrini svolgono un ruolo chiave in molti processi dell’Universo, come l’inflazione estremamente rapida dell’Universo nei primissimi momenti della sua esistenza, o la scomparsa dell’antimateria a favore della materia.

In astrofisica, i neutrini forniscono prove chiave per la comprensione dei cataclismi stellari come le supernove.

Sono infatti il primo segno di tali eventi, precedendo l’enorme lampo di luce e allertando gli astronomi sull’imminente esplosione.

Più vicino a noi, i neutrini possono aiutarci a comprendere meglio i processi nucleari in atto nel cuore del Sole.

Altri neutrini prodotti dalla radioattività naturale delle rocce ci forniscono informazioni preziose e senza precedenti sugli eventi nelle profondità dell’interno della Terra. JUNO sarà il rivelatore più sensibile di tali neutrini mai costruito.

Il rivelatore JUNO è il prodotto di una collaborazione internazionale che coinvolge 74 istituzioni provenienti da Asia, Europa e America e conta circa 700 membri.

È guidato dall’Accademia cinese delle scienze (CAS) attraverso l’Istituto di fisica delle alte energie (IHEP).

I laboratori del CNRS sono stati coinvolti in ogni fase del processo.

Dalla progettazione e costruzione del rivelatore al suo funzionamento, hanno svolto un ruolo chiave nella fase di avviamento, e continueranno ad occupare una posizione centrale per tutta la durata della missione, attraverso la gestione, la manutenzione e lo sfruttamento scientifico dei dati sperimentali.