I fotosensori del Super Kamiokande rilevano i neutrini come lampi di luce. Credit: Asahi Shimbun/Getty
Settemila giganteschi occhi arancioni affrontano i pochi fortunati che sono entrati nell’osservatorio sotterraneo di neutrini Super-Kamiokande in Giappone – di gran lunga il più grande rilevatore di neutrini del suo genere al mondo. La possibilità di vedere questi sensori di luce è rara perché di solito sono sommersi in 50.000 tonnellate di acqua purificata. Ma un importante rinnovamento di Super-K che è stato completato nel mese di gennaio ha offerto una rara possibilità di sbirciare all’interno di questa grande cattedrale della scienza.
Per la prima volta in più di un decennio, tra giugno e gennaio, l’acqua è stata drenata dal rivelatore come parte di un rinnovamento da 1,1 miliardi di ¥ (10 milioni di dollari). Tra le altre cose, l’aggiornamento permetterà a Super-K di andare a caccia di neutrini emessi da supernovae remote, esplosioni che si verificano quando una stella che invecchia collassa sotto il suo stesso peso. Gli astronomi vogliono questi dati per capire meglio la storia delle supernovae nell’Universo – ma i neutrini che emettono sono stati difficili da rilevare.
“Ogni 2-3 secondi, una supernova si spegne da qualche parte nell’Universo, e produce 1058 neutrini”, dice Masayuki Nakahata, che guida Super-K, una collaborazione internazionale guidata da Giappone e Stati Uniti. Con l’aggiornamento, il rivelatore dovrebbe essere in grado di contare alcuni di questi neutrini ‘reliquia’ ogni mese, dice Nakahata, che è un fisico dell’Università di Tokyo.
Super-K si trova 1.000 metri sotto una montagna vicino a Hida nel Giappone centrale. All’interno, le molecole d’acqua catturano i neutrini che fluiscono attraverso il terreno dal Sole e dall’atmosfera, o che sono irradiati da un acceleratore di particelle a centinaia di chilometri di distanza. Più tardi quest’anno, l’osservatorio aggiungerà all’acqua il gadolinio, un metallo delle terre rare. Questo renderà il rivelatore molto migliore nel distinguere tra i diversi tipi, o ‘sapori’, di neutrino, così come le loro antiparticelle, gli antineutrini.
Nel 1987, il rivelatore Kamiokande, il predecessore più piccolo di Super-K, ha rilevato i primi neutrini da una supernova. La dozzina di neutrini proveniva dalla Supernova 1987A, avvenuta nella Grande Nube di Magellano, una piccola galassia che orbita intorno alla Via Lattea. Il capo sperimentatore Masatoshi Koshiba ha condiviso il premio Nobel per la fisica 2002 in parte per quella scoperta. Ma da allora nessun neutrino è stato collegato a una supernova.
Fisico Masayuki Nakahata all’interno del rivelatore Super-K.Credit: Noah Baker/Nature
La maggior parte dei neutrini solari si rivela facendo cadere un elettrone da una molecola d’acqua ad alta velocità, producendo così un debole lampo di luce (che è ciò che gli ‘occhi’ di Super-K vedono). Ma altri neutrini – e, in particolare, gli antineutrini che costituiscono la maggior parte delle emissioni delle supernove – interagiscono con un protone in un nucleo atomico invece che con un elettrone. Questa collisione libera un neutrone e un positrone, la versione antimateria dell’elettrone. Il segnale del positrone è difficile per il rivelatore distinguere da quello di un elettrone di un neutrino solare. Ma il neutrone produce la propria firma – un raggio γ – quando viene catturato da un altro nucleo.
Nuova potenza
I nuclei di gadolinio sono molto più efficaci dei nuclei di idrogeno o ossigeno dell’acqua nel catturare tali neutroni vaganti, e i raggi γ che producono sono più facili da rilevare per Super-K, come un altro lampo di luce. Così, quando un antineutrino colpisce, Super-K non vedrà un lampo ma due, a pochi microsecondi di distanza l’uno dall’altro.
John Beacom, un astrofisico teorico della Ohio State University di Columbus, e Mark Vagins, uno sperimentatore di Super-K ora al Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe di Kashiwa, Giappone, hanno avuto l’idea di aggiungere gadolinio a Super-K nei primi anni 20001. Il gadolinio era stato usato in piccoli esperimenti sui neutrini, ma mai in un rivelatore ad acqua.
“Quando abbiamo iniziato, tutti quelli con cui abbiamo parlato ci hanno dato una lista di dieci ragioni per cui sarebbe stato impossibile”, dice Beacom. La sfida più grande, dice Vagins, era se l’acqua del rivelatore potesse essere continuamente filtrata per rimuovere le impurità senza rimuovere il gadolinio allo stesso tempo. Ha guidato uno sforzo decennale per dimostrare che l’idea poteva funzionare, che ha comportato la costruzione di un rivelatore di neutrini da 6 milioni di dollari, umoristicamente chiamato Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems (EGADS). Una parte cruciale di quello sforzo richiedeva l’invenzione di un nuovo tipo di sistema idrico.
Nel 2015, Beacom e Vagins avevano convinto la collaborazione a includere il gadolinio nel prossimo aggiornamento. Quella parte del rinnovamento è ufficiosamente conosciuta come Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), punto esclamativo incluso. (Come Egads, Gadzooks è spesso usato nei fumetti di supereroi per indicare la sorpresa.)
Super-K ha già avuto un enorme successo. Nel 1998, due anni dopo l’inizio delle operazioni, il rivelatore ha fornito la prima prova concreta che i neutrini e gli antineutrini possono “oscillare”, o ciclare, tra tre sapori. La scoperta ha costretto i teorici a modificare il modello standard della fisica delle particelle – la spiegazione delle particelle e delle forze dell’universo – e ha sollevato una serie di nuove domande. (Takaaki Kajita, che è il collega di Nakahata e l’ex leader di Super-K, ha condiviso il premio Nobel per la fisica 2015 per la sua scoperta dell’oscillazione dei neutrini.)
“Super-K ha avuto la stessa influenza sulla fisica delle particelle, se non di più, di LHC, il collisore al CERN che ha scoperto il bosone di Higgs”, dice Janet Conrad, un fisico del neutrino al Massachusetts Institute of Technology di Cambridge.
“Sono entusiasta che Super-K stia iniziando ora con il doping di gadolinio. Penso che la fisica sia molto eccitante”, dice Conrad. “Sono anche felice per i miei amici Mark Vagins e John Beacom. C’erano molte persone che dicevano che questo non poteva essere fatto per molte ragioni.”
Hyper-K
Anche se Super-K ricomincia, i fisici giapponesi stanno spingendo per un fratello ancora più grande chiamato Hyper-Kamiokande. L’Università di Tokyo ha dato il suo peso al progetto da 55 miliardi di yen, e i ricercatori sono ora in attesa di sapere se il governo nazionale lo finanzierà. Una decisione è attesa per agosto.
“Puntiamo a iniziare la costruzione di Hyper-K in due anni, per poi entrare in funzione nel 2027 o giù di lì”, dice il capo del progetto Masato Shiozawa, un fisico dell’università e un membro di lunga data della collaborazione di Super-K.
Il serbatoio di Hyper-K conterrebbe 260.000 tonnellate di acqua, più di cinque volte tanto quello di Super-K. Le sue dimensioni lo renderebbero molto più efficace nel rilevare le supernovae, ma dovrebbero anche aiutarlo a indagare un altro mistero cosmico: perché l’Universo sembra essere fatto principalmente di materia, con poca antimateria in giro.
Un passo cruciale verso la comprensione di questa differenza, dicono i teorici, è quello di misurare un’asimmetria tra neutrini e antineutrini, in particolare una differenza nella velocità con cui gli antineutrini attraversano i loro tre sapori, rispetto a quella dei neutrini. Super-K ha già visto forti indizi di tale differenza, usando neutrini sparati attraverso la crosta terrestre da un acceleratore di particelle, ma Hyper-K sarebbe in grado di fare misure molto più precise.