Inseguendo i neutrini

3. I rivelatori di T2K

di Gabriella Catanesi, in redazione: pdn

 

Il complesso dei rivelatori vicini (denominati ND280 rivelatoreT2K_scienzapertutti) è 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 più energetici di quelli solari e quindi possiedono una probabilità di interazione con la materia molto più elevata di questi ultimi. In particolare una piccola frazione interagisce con lo scintillatore o con l’acqua nello ND280 e molte di queste interazioni producono muoni. Il muone è una particella carica e può essere rivelata poiché ionizza icona_glossario 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 è perlomeno peculiare. Progettato alla fine degli anni '70 per lo storico esperimento UA1 icona_linkesterno al CERN icona_linkesterno (che valse il premio Nobel a Carlo Rubbia icona_biografia nel 1984) è rimasto per anni inutilizzato UA1_cern_sceinzapertutti. Seguendo un’idea di alcuni fisici dell’INFN, è stato poi rimesso in funzione, imbarcato su una nave e spedito in Giappone. Qui ha cominciato una nuova vita. Un esempio di longevità tecnologica e di riciclaggio scientifico ben riuscito.

 

evento_rivelatore_sceinzapertuttiLe misure effettuate da ND280 sono usate per predire il numero dei neutrini muonici che ci aspettiamo di vedere nel rivelatore lontano Super-Kamiokande icona_linkesterno 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 tracce si può stabilire la carica della particella, mentre la ionizzazione permette di stabilirne la massa. A destra, sovrapposto, il diagramma del processo.

 

mappa_giappone

 

La maggiorparte dei neutrini attraversa il rivelatore ND280 senza interagire e prosegue il suo viaggio a una velocità di poco inferiore alla velocità della luce fino a raggiungere il gigantesco rivelatore Super-Kamiokande. Installato a 1000 metri sottoterra nella miniera di Kamioka nel Giappone Occidentale a 295 Km da Tokai. Super-Kamiokande è un enorme cilindro (39 m di diametro, 42 m di altezza) riempito di acqua ultra pura.

superkamiokande_interno_sceinzapertutti   superkamiokande_occhio_scienzapertutti
Super-Kamiokande durante il riempimento con 50,000 tonnellate di acqua purissima. Sulle pareti i 10.000 fototubi utilizzati per rivelare la luce prodotta dai neutrini che interagiscono con il liquido. Sullo sfondo si riconoscono due tecnici che effettuano i controlli utilizzando un canotto.   Uno dei 10.000 “occhi” elettronici (fototubi) di Super-Kamiokande durante l’ispezione prima del montaggio.

 

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 particelle cariche e, a loro volta, interagiscono con gli atomi del liquido scintillante, eccitandoli. Dopo breve tempo gli atomi ritornano nel loro stato di equilibrio iniziale ed emettono luce. Se la particella che ha attraversato Super-Kamiokande viaggia a una velocità superiore a quella della luce nell’acqua (che è circa ¾ di quella nello spazio vuoto) questa luce è emessa in un cono conosciuto come radiazione Cherenkov icona_minibiografia , dal nome dello studioso che per primo studiò il fenomeno. Le pareti di Super-Kamiokande sono attrezzate con più di 10.000 sensibilissimi fototubi di grandi dimensioni che sono in grado di rivelare il cerchio formato dai fotoni della radiazione Cherenkov. Super-Kamiokande è in grado di distinguere i muoni (che producono un cerchio ben definito) dagli elettroni (che producono un cerchio più diffuso).

Un evento nel rivelatore Super-Kamiokande. I fototubi accessi sono indicati con colori diversi a seconda della luce raccolta. Il cerchio di luce Cherenkov generato da un neutrino di circa 500 MeV ha un diametro di alcuni metri.

 

 

 

ultimo aggiornamento luglio 2013

 

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