Anche i ciclotroni per catturare i neutrini

Un ciclotrone da 150 centimetri di diametro del 1939, da cui fuoriesce un fascio di particelle accelerate che ionizzano l’aria provocando un bagliore azzurro. (Crediti: Nature).

Si sa, le restrizioni di budget condizionano continuamente la ricerca. E non hanno risparmiato nemmeno la fisica delle particelle. Dal 1982 a Snowmass, in Colorado, gli scienziati si incontrano per il Summer Study annuale facendo il punto della situazione sulle ricerche future. Un’idea circola dal 2001: per far fronte alle ristrettezze economiche, alcuni hanno proposto di “pensare fuori dagli schemi” e di utilizzare un acceleratore a basso consumo energetico ma ad alta intensità: il ciclotrone. Questa tecnologia, che ha circa 80 anni di vita, ha ceduto il passo ai sincrotoni, ossia ad acceleratori molto potenti come il Large Hadron Collider.

Ora, in fase di ristrettezze economiche, i ciclotroni stanno vivendo una vera e propria rinascita. “Abbiamo bisogno di qualcosa di totalmente fuori dagli schemi”, sostiene Janet Conrad, fisico delle particelle presso il Massachusetts Institute of Technology di Cambridge, e co-portavoce della collaborazione DAEδALUS, una proposta teorica per generare fasci di neutrini usando ciclotroni collegati tra loro. Insomma, alte intensità al posto di alte energie, ecco il principio-guida.  Al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) di Batavia, Illinois, i fisici delle particelle americani si stanno concentrando su questo principio per la sulla creazione di fasci di particelle. L’idea è questa: riproporre fasci di protoni del Tevatron e stabilire una nuova frontiera per l’intensità.

Il Fermilab rapidamente sviluppato progetti per un esperimento di intensità di punta, chiamato Long Baseline Neutrino Experiment (LBNE), che invia fasci di neutrini e antineutrini lungo un percorso di 1.300 chilometri sottoterra in un rivelatore nella miniera di Homestake nel South Dakota. Anche se si pensa che i neutrini e gli antineutrini hanno lo stesso comportamento, obiettivo di LBNE è quello di cercare se ci sono differenze. In che modo? Monitorando il comportamento dei neutrini durante il fenomeno dell’oscillazione, ripetendo poi l’esperimento con gli antineutrini e confrontando i dati. L’eventuale differenza rilevata dovrebbe indicare una fondamentale asimmetria e, soprattutto, contribuire a spiegare perché l’Universo contiene molta più materia che antimateria (si veda Nature 485, 16; 2012).

Ora, invece, si sta imponendo DAEδALUS, un nuovo esperimento a basso costo per testare il nesso materia-antimateria. In questo esperimento, i protoni quasi stazionari vengono scaricati nel centro di un piccolo ciclotrone e accelerati da campi magnetici a spirale fino a raggiungere il bordo esterno del ciclotrone. I protoni vengono poi immessi in un secondo e più grande ciclotrone, 15 metri di diametro, che li accelera ulteriormente. Il fascio di protoni risultante verrà poi bersagliato con carbonio e rame per generare particelle chiamate pioni, alcune delle quali decadono in antineutrini (qui sotto si vede lo schema).

(Credit: Nature).

Al costo di circa 130 milioni di dollari, DAEδALUS sarebbe molto più economico e più piccolo del LBNE. Anche a differenti energie, i fisici ritengono che i fasci di antineutrini prodotti sarebbero di egual numero e che sarebbero anche più “puliti” in quanto il rame consentirebbe di separare nettamente i pioni carichi positivamente che generano gli antineutrini desiderati. Operando simultaneamente con tre linee di base, DAEδALUS potrebbe mappare la forma (o la funzione d’onda) delle oscillazioni degli antineutrini. Se c’è asimmetria tra materia e antimateria, la forma di queste oscillazioni ha una configurazione caratteristica – e non ci sarebbe alcun bisogno di ripetere l’esperimento separatamente con un fascio di neutrini.

Gli acceleratori DAEδALUS sono economici e abbastanza piccolo da poter essere riprodotti e costruite attorno a rilevatori di preesistenti, piuttosto che il contrario. Ovviamente non tutta la comunità scientifica è d’accordo sulle potenzialità dei ciclotroni nella ricerca dei neutrini. L’idea è tecnicamente interessante, ma per attirare finanziamenti internazionali sono necessari numerosi test per vagliarne le potenzialità. (Fonte:www.nature.com/news/cyclotrons-come-full-circle-1.13436?WT.ec_id=NATURE-20130725. Originariamente pubblicato su cyberscienza.it il 25/07/2013).

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