Neutrini sotto zero: una miniera d’oro diventa il frigorifero più grande del mondo

C’è chi nelle miniere d’oro cerca il metallo prezioso e chi, come gli scienziati del Fermilab, decide di usarle per dare la caccia alle particelle più sfuggenti dell’universo: i neutrini. Il progetto si chiama DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) e sta trasformando la storica Sanford Underground Research Facility, nel South Dakota, in una meraviglia tecnologica che farebbe invidia a un film di fantascienza, ma con molta più sostanza (e freddo).

Un’impresa titanica a un miglio di profondità

L’idea è semplice, almeno sulla carta: costruire il più grande rivelatore di particelle criogenico del mondo a circa 1.600 metri sotto terra. Il motivo della profondità è squisitamente tecnico: usare la roccia come scudo contro i raggi cosmici che inquinerebbero le misurazioni.

Tuttavia, le dimensioni sono tutto tranne che “sotto traccia”. Per far funzionare il rilevatore, i ricercatori hanno bisogno di argon liquido a una temperatura di -186 gradi Celsius (-303°F). Non parliamo di qualche bombola, ma di una quantità industriale che sfida la logica logistica.

L’esperimento di compone come segue: presso il Fermilab verà emesso il più potente  raggio di neutirni sulla Terra, per la potenza di 1 MW. Questo fascio quindi sarà intercettato nella ex miniera d’oro di Sanford, dove  interagirà con l’Argon , mantenuto a temperature bassissimo, e si spera  quindi di poter studiare queste interazioni.

Il problema è che, per poter contare su dei risultati validi è necessario accumulare molto argon liquido, veramente tanto. L’argon è un gas nobile piuttosto pesante, che qui sarà allo stato liquido.

Come si svolgerà l’esperimento DUNE

I numeri della sfida

Per riempire i primi due moduli del rivelatore DUNE, le cifre sono impressionanti e aiutano a capire la portata dell’investimento infrastrutturale:

• Volume di Argon: Ogni modulo richiede l’equivalente di circa cinque piscine olimpioniche di argon liquido.

• Densità: L’argon liquido è 1,4 volte più denso dell’acqua; parliamo di circa 17.000 tonnellate per modulo. Una quantità enorme….

• Logistica: Saranno necessari circa 1.000 carichi di camion cisterna, distribuiti nell’arco di un anno, solo per il primo modulo.

• Obiettivo finale: Con i moduli aggiuntivi forniti dai partner internazionali, la massa totale supererà le 50.000 tonnellate.

A cosa serve tutto questo freddo?

Il fine ultimo non è battere record di refrigerazione, ma rispondere a domande fondamentali della fisica che hanno riflessi anche sulla nostra comprensione della materia. Il sistema di purificazione, progettato in collaborazione con l’Università di Campinas (Brasile), manterrà l’argon in uno stato di purezza estrema.

Quando un neutrino colpirà un atomo di argon all’interno del criostato, lascerà una traccia. Grazie a una ricostruzione 3D sofisticatissima, gli scienziati potranno studiare:

1. Materia vs Antimateria: Perché l’universo è fatto di ciò che tocchiamo e non è svanito in un lampo di energia primordiale?

2. Decadimento del protone: Una rarità che metterebbe alla prova il Modello Standard della fisica nella quale un protone potrebbe decadere in un positrone, una sorta di elettrone positivo, e un pione, una particella neutra.

3. Supernovae: Captare i neutrini emessi dal collasso di stelle lontane per capire come muore un sole.

Cooperazione internazionale e tempi

Nonostante la natura prettamente scientifica, l’operazione ha una valenza economica e politica rilevante. Si tratta di un progetto globale che coinvolge oltre 200 istituzioni da 35 Paesi. Recentemente, la firma dell’accordo “Annex C” tra il Fermilab e l’istituto brasiliano UNICAMP ha dato il via alla produzione dei sistemi di purificazione, che arriveranno nel South Dakota tra il 2027 e il 2028.

Se tutto procederà secondo i piani, i primi due moduli saranno pienamente operativi entro il 2032. Un investimento a lungo termine, ma, come sanno i lettori di queste colonne, la grande scienza richiede pazienza, capitali e una logistica d’acciaio. O, in questo caso, di argon.

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