A caccia di neutrini

6. In galleria, sotto il Gran Sasso

di L. Benussi, F. Toti Lombardozzi, A.Venturelli

I Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN  icona_linkesterno sono più grandi laboratori underground per la caccia alle particelle...fantasma. Schermati da 1400 metri di roccia, per cui il flusso di radiazione cosmica si abbassa di un milione di volte, presentano l’ulteriore vantaggio di un bassissimo tasso di radioattività delle rocce circostanti.

Le grandi dimensioni delle sale in sotterraneo e quelle degli apparati sperimentali non trovano paragone in altri laboratori. Le tre Sale sperimentali sono veramente gigantesche: alte 20 m, lunghe 100 m, larghe 18 m. La costruzione dei Laboratori, pensati e proposti dal prof. A. Zichichi icona_minibiografia, è iniziata nel 1982 e portata a termine nel 1987. I Laboratori sono stati realizzati in concomitanza con la costruzione del tunnel autostradale Teramo-L’Aquila.

 

GNO e Borexino - esperimenti in corso di grande rilevanza

CNGS - esperimento del futuro GNO (Gallium Neutrino Observatory) ha ereditato il lavoro di Gallex . Il problema da studiare è sempre quello dei neutrini solari. Il rivelatore di GNO è rappresentato da 30,3 tonnellate di Gallio presenti in 103 tonnellate di soluzione acida (HCl) di cloruro di Gallio. I neutrini solari di bassa energia interagiscono con i nuclei del 71Ga, che costituisce il 30% degli isotopi di Gallio presenti in soluzione. In conseguenza dell’interazione con i neutrini solari, i nuclei di 71Ga si trasformano in nuclei di Germanio (71Ge) con un processo di decadimento inverso, indicato come 71Ge (nu, e) 71Ga.

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Esterno dei Laboratori del Gran Sasso

Il flusso di neutrini solari è dedotto dal numero di 71Ge prodotti. La soluzione del rivelatore rimane esposta all’azione dei neutrini solari per circa 4 settimane. Alla fine di questo periodo sono presenti nella soluzione circa una dozzina di nuclei di 71Ge, dovuti all’interazione neutrinica.

La separazione periodica del cloruro di germanio (GeCl4) viene effettuata immettendo nel serbatoio del rivelatore una corrente di azoto (N2) che trascina con sé il cloruro di germanio. La miscela di azoto e di cloruro di Germanio viene “lavata” con acqua per allontanare l’azoto. Il 71Ge estratto (sotto forma di GeCl4) viene trasformato in GeH4 (gas) e introdotto in un apparecchio per il conteggio, miscelato a gas Xeno. 7Be + e- → νe+ 7Li. Borexino prevede di contare 55 eventi al giorno in assenza di oscillazioni 12 eventi al giorno con oscillazioni; per la rivelazione sfrutta, come Superkamiokande, l’urto fra i neutrini e l’elettrone: νe +e- → νe+ e-.

Borexino è più sensibile di Superkamiokande perché utilizza uno scintillatore al posto dell’acqua. La costruzione di Borexino e' stata preceduta dal CTF (Counting Test Facility), prototipo dell'esperimento, in funzione per diversi anni, costituito da una sfera di plastica trasparente di 2 metri di diametro contenente 4 tonnellate di scintillatore liquido, posta al centro di una struttura a supporto di 100 fotomoltiplicatori, il tutto immerso in acqua purissima.

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Il rivelatore di Borexino è dato da una sfera di 8,5 metri di diametro contenente 300 tonnellate di scintillatore ed osservata da 2200 fotomoltiplicatori. La sfera è immersa in 2400 tonnellate di acqua purissima, che funge da assorbitore per le particelle della radiazione naturale provenienti dalla roccia circostante. Lo scintillatore, una miscela di solvente aromatico (pseudocumene, PC) e 1,5 g/l di fluoro, è contenuto in un pallone di nylon dello spessore di 0,5 mm. Contiene il tutto una sfera di acciaio di 13,7 metri di diametro.

CNGS - CERN to Gran Sasso Neutrino beam

Un fascio di neutrini artificiali prodotti al Cern di Ginevra icona_linkesterno verrà sparato verso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso icona_linkesterno per osservarne l’eventuale oscillazione. L’esperimento CNGS è un esperimento di LBL, cioè di Long Baseline, in quanto la sorgente di neutrini (un reattore o un acceleratore) e il rivelatore sono distanti, per cui i neutrini artificiali, prima di essere rivelati, attraversano la Terra per qualche centinaio di chilometri. I neutrini per l’esperimento verranno prodotti al CERN di Ginevra e letteralmente sparati verso il rivelatore Icarus dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, a 732 chilometri di distanza. Fasci di protoni saranno y accelerati dalle macchine già esistenti al CERN, Protosincrotrone (PS) e Supersincrotrone (SPS), fino all’energia di 400 GeV. La collisione dei protoni contro un bersaglio produce anche pioni icona_glossario. I pioni vengono focalizzati e fatti decadere (tempo di decadimento ~10-8 s) ρ →μ+ νμ (μ = muoni – ντ = neutrini muonici) nella direzione del Gran Sasso. Il fascio viene "ripulito" dai muoni frapponendo sul suo cammino strati di ferro e di terra che, dopo 800 m, lasciano filtrare solo i neutrini. Due rivelatori monitorano i muoni icona_glossario:

- primo rivelatore di muoni 2.5 x 107 muoni per cm2 per 1013 protoni arrivati sul bersaglio

- secondo rivelatore di muoni 4 x 105 muoni per cm2 per 1013 protoni arrivati sul bersaglio.

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Illustrazione dei percorso di 732 km dal CERN (Ginevra) al Gran Sasso (L'Aquila)

Il CERN invierà al rivelatore ICARUS dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso oltre 1018 neutrini all'anno (un miliardo di miliardi). Poiché i neutrini interagiscono debolmente, nonostante un numero così elevato, un rivelatore di oltre mille tonnellate sarà in grado di far interagire solo 2500 neutrini all'anno. Alle attuali conoscenze, nell’ipotesi di una oscillazione νμ – ντ (neutrini muonici - neutrini tau icona_glossario), ci si aspetta che si verifichino e vengano rivelati 22 eventi all’anno di ντ . L'inizio delle misure ai laboratori del Gran Sasso è previsto per il maggio del 2005, quando le complesse fasi di preparazione del fascio di neutrini saranno completate e i rivelatori al Gran Sasso (ICARUS) saranno pronti a registrarli.

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