Una cisterna sotterranea che custodisce i segreti dell’universo
I neutrini(si apre in una nuova finestra), particelle elementari fondamentali per la maggior parte dei processi nell’universo, vengono prodotti in abbondanza dalle reazioni esistenti più importanti, come ad esempio nella fase di supernova di una stella morente. Poiché la probabilità che interagiscano con la materia è estremamente bassa, le loro proprietà dinamiche non cambiano nel corso del tempo, motivo per cui offrono spunti di riflessione sulle reazioni più importanti che avvengono nell’universo. «I neutrini emessi da tutte le supernove che si sono verificate nel corso della storia dell’universo, noti come fondo diffuso di neutrini da supernova(si apre in una nuova finestra) (DSNB, diffuse supernova neutrino background), contengono informazioni preziose su fenomeni come l’evoluzione dello spaziotempo nell’universo, la formazione stellare, i buchi neri e altri ancora», spiega Luis Labarga Echeverría, coordinatore del progetto SK2HK, finanziato nell’ambito del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra).
Contribuire a esperimenti pionieristici sulle interazioni dei neutrini
A causa della probabilità estremamente bassa che si verifichino interazioni di neutrini nei rivelatori, il volume di materiale offerto per l’interazione deve essere enorme, determinando costi molto elevati. Per aggirare questo problema, sono state ideate varie soluzioni innovative, delle quali la cosiddetta reazione di Cherenkov ad acqua si è rivelata la più efficace. Questa tecnica viene impiegata nell’Osservatorio di Kamioka(si apre in una nuova finestra) in Giappone dal più grande rivelatore di neutrini sotterraneo del mondo, chiamato Super-Kamiokande(si apre in una nuova finestra) (SK), una grande vasca (con un volume di 50 000 m³) riempita di acqua ultrapura. Quando un neutrino interagisce con l’acqua, vengono prodotte diverse particelle, un numero significativo delle quali trasporta una carica elettrica; circa 10.000 sensori di luce ultrasensibili (tubi fotomoltiplicatori) nelle pareti della vasca SK rilevano la luce emessa da queste particelle cariche che si muovono nell’acqua. «Ricostruire le caratteristiche delle particelle, come il luogo di origine, l’energia, la direzione e gli eventuali processi di decadimento, ci permette di dedurre le proprietà dei neutrini iniziali», spiega Echeverría, docente presso l’Università Autonoma di Madrid(si apre in una nuova finestra). Questa metodologia ha portato a due importanti risultati: l’identificazione dei neutrini provenienti dalla supernova SN1987 (che ha valso il Premio Nobel per la Fisica nel 2002) e la scoperta del fatto che i neutrini possiedono una massa (premiata con un altro Premio Nobel per la Fisica, nel 2015). Nell’ambito del loro distaccamento presso l’SK, i ricercatori di SK2HK hanno partecipato ad ulteriori esperimenti correlati, contribuendo infine all’osservazione da parte dell’SK di una chiara indicazione del DSNB, presentata in occasione della conferenza NEUTRINO 2026 presso l’Università della California ad Irvine, nel giugno del 2026(si apre in una nuova finestra). «Tutto ciò apre davvero una nuova era nella fisica, nella quale possiamo studiare l’evoluzione dell’universo attraverso i neutrini emessi dalle supernove che si verificano dall’alba dei tempi», afferma Echeverría.
Verso l’esperimento sui neutrini di prossima generazione
Per comprendere meglio i neutrini saranno necessari rivelatori di maggiori dimensioni, come l’Hyper-Kamiokande (HK), attualmente in costruzione presso l’Osservatorio di Kamioka, al quale ha contribuito il team di SK2HK. «Grazie a un volume di 260 000 tonnellate e a 20 000 sensori di luce, il rilevatore, che dovrebbe entrare in funzione nel 2028, sarà notevolmente più efficiente», osserva Echeverría. L’équipe ha inoltre partecipato alla ricerca e allo sviluppo di nuove tecniche di rilevamento, come l’utilizzo di più tubi fotomoltiplicatori al posto di uno solo da 60 cm di diametro: per l’esattezza, 19 combinati all’interno di un unico contenitore, sempre da 60 cm di diametro. SK2HK ha inoltre guidato la progettazione e la costruzione dell’involucro subacqueo che ospita i tubi fotomoltiplicatori sensori, in modo da resistere alle pressioni subacquee ed evitare un malfunzionamento a catena nel caso in cui un fotosensore imploda. «La comunità scientifica sta già iniziando a pensare a rivelatori ancora più grandi, situati a maggiori profondità nel sottosuolo e dotati di molti più fotosensori, che ci forniranno informazioni ancora più precise sulle variabili che potrebbero spiegare l’evoluzione dei neutrini nel corso del tempo e, forse, persino rispondere al più grande enigma di tutti, ovvero la correttezza o meno della teoria della grande unificazione», conclude Echeverría.
