Borexino

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Il rivelatore Borexino nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso nel settembre 2015.

In fisica delle particelle, Borexino è un esperimento scientifico volto allo studio dei neutrini solari a bassa energia (sub-MeV) realizzato in Italia, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, vicino a L'Aquila. L'esperimento è finanziato da un consorzio internazionale di istituti di ricerca e università italiani, statunitensi, tedeschi, francesi, polacchi e russi, tra cui l'INFN e la NSF[1]. Nel maggio 2017, Borexino raggiunse 10 anni di operazioni, dall'inizio della sua presa dati nel 2007.

Il nome BOREXino deriva da BOREX (BORon solar neutrino EXperiment)[2], di cui è una versione più piccola. Inizialmente progetto BOREX prevedeva la costruzione di un rivelatore di 1 kT di massa fiduciale, ma alla fine fu costruita una versione più piccola, di 100 tonnellate, focalizzata sulla estrema radio-purezza in tutti i suoi componenti interni: BOREXino.

Il rivelatore è un calorimetro a scintillazione liquido con la più alta radio-purezza al mondo. Lo scintillatore è contenuto in una sfera di acciaio inossidabile che contiene i rivelatori del segnale (PMT) ed è circondato da un serbatoio di acqua (18 m di altezza per 16,9 m di larghezza) per schermare le radiazioni esterne ed identificare i muoni dei raggi cosmici che riescono a penetrare la montagna sovrastante.

L'obiettivo principale dell'esperimento è effettuare una misura precisa del flusso di neutrini solari generati dalle reazioni termonucleari nel nucleo solare (tra cui la componente di neutrini del decadimento del Berillio-7) e confrontare le misure con le predizioni del Modello Solare Standard. Questo permetterà di migliorare la comprensione dei processi di fusione nucleare che avvengono nel nucleo del Sole, la sua composizione, opacità, distribuzione di materia... Aiuterà inoltre a determinare alcune proprietà delle oscillazioni dei neutrini, includendo l'Effetto Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein.

Gli altri obiettivi dell'esperimento sono la rivelazione dei neutrini solari generati dal Boro-8, dalla catena protone-protone e forse dei neutrini del ciclo catalitico CNO. Il rivelatore è sensibile ad antineutrini elettronici di bassa energia, tramite la reazione di decadimento beta inverso sui protoni o nuclei di carbonio, come quelli prodotti da reattori nucleari o geo-neutrini. Borexino potrebbe inoltre essere in grado di rivelare i neutrini provenienti da supernovae della nostra galassia, e appartiene alla rete globale Supernova Early Warning System. Borexino svolge anche altre ricerche per individuare eventuali processi rari e potenziali particelle ancora sconosciute.

Il progetto SOX studierà la potenziale esistenza di neutrini sterili leggeri od altri eventuali effetti anomali nella oscillazione di neutrini emessi da un generatore.

I neutrini a bassa energia sono rivelati tramite lo scattering inelastico sugli elettroni. L'energia di rinculo dell'elettrone (o del positrone) è convertita in luce di scintillazione che viene poi rivelata da una serie di fotomoltiplicatori[3].

Risultati e cronologia del rivelatore[modifica | modifica wikitesto]

  • Le bande grigie confrontano le regioni di sensibilità dei tre telescopi di neutrini solari in grado di misurare l'energia degli eventi. Si noti che le previsioni dei modelli solari sono in scala logaritmica: Super-Kamiokande e SNO possono osservare circa lo 0.02% del totale, mentre Borexino è potenzialmente in grado di osservare ogni tipo di neutrino predetto.
    Nel 2007, Borexino cominciò a prendere dati operativi. Il progetto osservò neutrini solari, in tempo reale, per la prima volta in Agosto 2007. L'analisi dati continuò poi con dati nuovi fino al 2008.
  • Nel 2010, si osservarono per la prima volta in Borexino geo-neutrini provenienti dall'interno della Terra. Questi antineutrini vengono prodotti nei decadimenti nucleari dell'uranio, torio, potassio e rubidio, però Borexino può osservare solo quelli emessi nelle catene radioattive del 238U/232Th, grazie alla reazione di decadimento beta inverso a cui Borexino è sensibile. Nello stesso anno, si pubblicò la prima osservazione a bassa soglia (3 MeV) di neutrini solari provenienti della reazione del 8B. Inoltre furono svolti lavori di calibrazione con diverse sorgenti radioattive di bassissima attività, per fornire informazioni preziose sulla risposta esatta del rivelatore a stimoli molto ben conosciuti e controllati, vicini a quelli che si intendono studiare, causati da neutrini.
  • Nel 2011, l'esperimento pubblicò una misura di precisione del flusso di neutrini solari del 7Be, l'obiettivo iniziale principale di Borexino. La prima osservazione diretta di neutrini della reazione pep fu pubblicata lo stesso anno.
  • Nel 2012, l'esperimento pubblicò i risultati delle misure della velocità del fascio di neutrini inviato dal CERN, che risultarono compatibili con la velocità della luce. Si verificò anche una prolungata fase di purificazione dello scintillatore liquido, completata con successo e arrivando a livelli di radiopurezza mai raggiunti prima (fino a 15 ordini di grandezza, ovvero un biliardo di volte, sotto i livelli di fondo di radioattività naturale).
  • Nel 2013, Borexino stabilì nuovi limiti sullo spazio dei parametri per i neutrini sterili. Un nuovo segnale di geo-neutrini fu osservato, da cui venne estratta informazione preziosa sulla radioattività naturale della crosta terrestre.
  • Nel 2014, l'esperimento Borexino ha misurato direttamente e per la prima volta i neutrini primari dalla fusione protone-protone. Una volta che si tenga conto del fenomeno delle trasformazioni (dette in gergo oscillazioni) dei neutrini solari, descritte dalla teoria MSW, la misura di Borexino è consistente con le aspettative dei modelli solari. Questo risultato, reso possibile unendo competenze di fisica nucleare, astrofisica, fisica teorica e sperimentale, è una pietra miliare nella comprensione di come funziona il Sole, e dimostra la sua stabilità negli ultimi 10000-100000 anni. Si deve notare che altri rivelatori di neutrini di bassa energia precedenti (SAGE, GALLEX/GNO) avevano contato i neutrini sopra una certa soglia, ma non individuato i diversi flussi.
  • Nel 2015, venne presentato un'analisi spettrale di geo-neutrini aggiornato con gli ultimi dati. Inoltre durante il 2015 fu istallato un sistema molto versatile di Monitoraggio e Gestione della Temperatura di Borexino. È costituito dal Sistema di Sensori di Temperatura Latitudinale (LTPS), formato di più di 65 sensori, la cui istallazione cominciò nel 2014; e il Sistema d'Isolamento Termico, che minimizza l'influenza termica dell'ambiente esterno sui fluidi interni a Borexino, grazie a un spesso (20 cm) isolamento di lana minerale istallato sulle pareti del Serbatoio Esterno. Più tardi nel 2015, Borexino fu in grado di fornire il limite più preciso disponibile al mondo per la non-conservazione della carica elettrica (tramite il decadimento dell'elettrone: e→γ+ν).
  • Nel 2017, Borexino pubblicò la prima misura spettrometrica di ampia banda dello spettro di neutrini solari, con le misure simultanee più precise per i flussi di neutrini del 7Be, pep e pp, in più estratte da una singola finestra energetica (190-2930 keV). Queste misure raggiunsero una precisione di fino al 2,7% (nel caso degli neutrini del Berillio-7) e stabilirono per la prima volta una conferma a 5σ della presenza di neutrini pep. Il limite sui ricercati neutrini CNO raggiunse lo stesso livello statistico dalle misure precedenti di Borexino (mantenendosi come il miglior limite disponibile), ma considerando presupposti meno forti: di conseguenza, il risultato è più robusto. La quantità di dati, molto ingrandita dopo anni di osservazione continuata, nuove tecniche di analisi dati e simulazioni informatiche Monte-Carlo all'avanguardia di tutto il rivelatore furono sviluppi imprescindibili per questi risultati. Inoltre fu pubblicata l'osservazione aggiornata di neutrini del 8B con dati delle Fasi I e II (2008-2016), raddoppiando la precisione della misura di questa componente degli neutrini solari su quella precedente, e accennando una leggera preferenza verso i Modelli Solari Standard di alta metallicità con tutti i dati di neutrini solari disponibili al momento. Una misura migliorata della sensitività alla modulazione stagionale del segnale di neutrini solari fu pubblicata nel 2017. Nello stesso anno, il miglior limite ottenuto tramite osservazione diretta del momento magnetico del neutrino fu stabilito dal team Borexino. Come atteso, un segnale di neutrini correlato con i segnali di onde gravitazionali GW150914, GW151226 e GW170104 fu escluso da Borexino, dentro della sua sensibilità.

Progetto SOX[modifica | modifica wikitesto]

L'esperimento SOX (Short-distance Oscillations with boreXino, Oscillazioni di Corta distanza con Borexino in italiano) cerca di confermare completamente, o smentire chiaramente, le cosiddette "anomalie dei neutrini": una serie di evidenze circostanziali sulla scomparsa di neutrini elettronici osservata negli esperimenti LSND e MiniBooNE, i rivelatori di gallio GALLEX/GNO e SAGE, e di antineutrini elettronici provenienti da reattori nucleari. Se avrà successo, SOX dimostrerà l'esistenza di componenti sterili nei neutrini, e aprirà una nuova era nella fisica fondamentale e la cosmologia. Un chiaro segnale della presenza di neutrini sterili significherebbe la scoperta delle prime particelle oltre il Modello Standard Elettrodebole (BSM, ovvero Beyond the Standard Model) e avrebbe implicazioni profonde nella comprensione attuale dell'Universo e della fisica delle particelle fondamentali. In caso di assenza di segnale, sarà in grado di chiudere un dibattito di vecchia data sulla realtà delle anomalie di neutrini. Ricercando anche possibilità di nuova fisica nelle interazioni tra neutrini di bassa energia, fornirebbe una misura più precisa del momento magnetico del neutrino, l'angolo di Weinberg ed altri parametri fisici fondamentali. Sarebbe anche una splendida calibrazione in energia del rivelatore Borexino stesso, molto utile per future misure di neutrini solari di alta precisione.

SOX userà un potente (~150 kilo Curie) e innovativo generatore di antineutrini, composto da una sorgente Ce-144/Pr-144 (con la possibilità di usare in futuro un generatore di neutrini di Cr-51, che richiederebbe una misura molto più breve). Questo generatore verrà posizionato sotto a Borexino a corta distanza (8.5 m) in un piccolo tunnel costruito prima della costruzione del rivelatore, con l'idea che un giorno avrebbe potuto essere utilizzato per l'inserimento di simili sorgenti radioattive. La sorgente fornirà circa diecimila interazioni pulite di neutrini all'interno del volume attivo di Borexino. L'esperimento comincerà nella prima metà del 2018 e raccoglierà dati per circa due anni. Nell'ottobre del 2017 è stata effettuata con successa una prova di trasporto senza materiali radioattivi nei luoghi dei LNGS dove si trasporterà la sorgente pochi mesi dopo, con lo scopo di ottenere i permessi finali per dare inizio all'esperimento prima dell'arrivo del generatore[4].

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Paolo Saggese, Borexino Experiment Official Web Site, su borex.lngs.infn.it. URL consultato il 25 ottobre 2017 (archiviato dall'url originale il 16 ottobre 2007).
  2. ^ Raffelt, Georg G., Stars as laboratories for fundamental physics : the astrophysics of neutrinos, axions, and other weakly interacting particles, University of Chicago Press, 1996, ISBN 0226702723, OCLC 33103923.
  3. ^ G. Alimonti, C. Arpesella e H. Back, The Borexino detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso, in Nucl.Instrum.Meth., A600, 1° gennaio 2009, pp. 568–593, DOI:10.1016/j.nima.2008.11.076. URL consultato il 15 novembre 2016.
  4. ^ Test di trasporto per l'esperimento SOX, su lngs.infn.it.

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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