NuMI (Neutrinos from the Main Injector). Crediti: Caltech
Si chiama NOvA (NuMI Off-Axis Neutrino Appearance experiment) ed è il frutto della collaborazione di 180 cervelli di 34 istituzioni e laboratori scientifici Usa e mondiali. Si tratta di un esperimento neutrinico iniziato ormai un anno e mezzo fa e che ha già prodotto importanti risultati. La presa dei dati è iniziata ufficialmente alla fine del 2013 e la costruzione dell’intero apparato (due rilevatori a quasi 800 chilometri di distanza) è stata completata nel gennaio 2014. La prima fase dell’esperimento Nova durerà sei anni.
La distanza che percorrono i neutrini da Chicago al Minnesota
I neutrini sono tra le più abbondanti (un miliardo di volte in più rispetto le altre particelle esistenti in natura), curiose e sfuggenti creature nella fisica delle particelle. Praticamente quasi senza massa, per quanto sono leggeri, e senza carica, i neutrini sono delle particelle subatomiche elementari che si muovono nell’Universo alla velocità della luce. Anche se ci attraversano a miliardi in ogni istante apparentemente senza lasciare traccia, giocano un ruolo significativo nell’evoluzione dell’Universo contribuendo in maniera sostanziale alla massa totale del Cosmo così come le stelle e i pianeti. Nonostante la loro abbondanza, sono tra le particelle più difficili da studiare, almeno in maniera precisa, perché non interagiscono con le altre particelle e con la materia ordinaria. Poiché i neutrini interagiscono con la materia così raramente, gli scienziati si aspettano di catturare solo circa 5.000 neutrini o antineutrini durante questi anni.
Relativamente pochi, ma buoni: visto che NOvA permetterà di caratterizzarli in dettaglio, determinandone i tempi di vita, la direzione e l’energia. Studiando le oscillazioni nelle diverse tipologie di neutrini, gli scienziati sperano di scoprire l’ordine delle masse dei neutrini (la cosiddetta gerarchia di massa) e il perché l’Universo contiene attualmente molta più materia che antimateria. Il compito dei ricercatori del progetto NOvA è di catturare letteralmente i neutrini al volo con attrezzature molto grandi e costose. I primi risultati importanti sono già arrivati. Dopo aver “sparato” protoni contro obiettivi di grafite al Fermilab, appena fuori Chicago (Illinois), i neutrini vengono raccolti e inviati 735 chilometri a nord ovest, dove si trova il rivelatore NOvA ad Ash River (Minnesota), lungo il confine canadese. I primi fasci sono stati sparati nel settembre 2013, mentre le apparecchiature di Ash River erano ancora in costruzione (ormai sono state terminate).
Uno dei rilevatori presso il Fermilab
Secondo gli scienziati esistono tre tipi di neutrini: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico, in relazione con i leptoni (particelle elementari) del modello standard (elettrone, muone e tauone). I fasci del Fermilab vengono sparati a intervalli di due secondi, e ogni volta vengono inviati miliardi di neutrini direttamente verso i rivelatori. Il rivelatore del Fermilab determina e conferma la composizione iniziale dei neutrini nel fascio e il rilevatore più grande nel Minnesota determina se i neutrini si sono modificati durante il loro viaggio durato solo tre millisecondi. Proprio perché i neutrini non interagiscono con le particelle ordinarie, i fasci possono viaggiare facilmente direttamente attraverso il terreno tra le infrastrutture – nonostante la curvatura della Terra. Il fascio parte a 45 metri sotto terra nei pressi di Chicago e viaggia a 10 chilometri di profondità. I due rivelatori dell’esperimento NOvA sono posti così distanti in modo tale da dare tempo ai neutrini di oscillare da un leptone all’altro mentre viaggiano quasi alla velocità della luce. I rilevatori (chiamati block) sono alti circa 15 metri e pesano 300 tonnellate (quello presso il Femrilab) e 14.000 tonnellate (quello in Minnesota). I due blocchi sono riempiti con un liquido composto per il 95% da olio minerale e dal 5% da pseudocumene (liquido incolore infiammabile), tossico ma imprescindibile negli esperimenti con i neutrini: la miscela amplifica ogni luce che la colpisce, permettendo ai neutrini di essere individuati e misurati più facilmente.
Il rilevatore costruito in Minnesota
“Si tratta dei primi neutrini mai rilevati prima dal NOvA”, ha detto il fisico Marvi Marshak. “I primi risultati ci dicono che NOvA apporterà importanti contributi al mondo della fisica delle particelle”, ha aggiunto il ricercatore dell’Università del Minnesota. L’esperimento NOvA è molto simile all’attività svolta presso il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso dell’Infn, dove è in corso l’esperimento “Cern Neutrinos To Gran Sasso” (i neutrini vengono fotografati su apposite lastre) e il Cern di Ginevra. Il raggio di neutrini attraversa ogni volta ben tre stati e un lago: l’Illinois, il Wisconsin, il Lago Superiore (la crosta terrestre sottostante) e il Minnesota.