Inseguendo antineutrini in un reattore svizzero

L’esperimento si concentra sul rilevamento di un tipo speciale di interazione chiamata scattering elastico coerente neutrino-nucleo. In parole semplici, cerca particelle minuscole chiamate Antineutrini che provengono dai reattori nucleari e interagiscono con gli atomi di germanio. Per farlo, gli scienziati hanno allestito il loro equipaggiamento in una centrale nucleare in Svizzera, precisamente a Leibstadt (KKL). Questo posto ha un reattore che produce un sacco di energia-3,6 gigawatt, per essere precisi.

Per catturare queste particelle elusive, i ricercatori stanno usando quattro rivelatori progettati apposta per captare segnali a bassa energia. Ma c’è un problema: devono essere super attenti al Rumore di fondo, che in questo caso include tutto, dalle radiazioni provenienti dal reattore ai raggi cosmici che sfrecciano nello spazio.

#L’importanza del rumore di fondo

Il rumore di fondo è costituito dai segnali indesiderati che possono interferire con l’esperimento. In questo caso, è fondamentale misurare il rumore di fondo perché parte di esso può mimare i segnali che stanno cercando. Se gli scienziati non considerano questo rumore, possono pensare di aver trovato un antineutrino quando in realtà non è così. È come cercare di sentire qualcuno che sussurra in una festa rumorosa: se non sai come suona il rumore di fondo, potresti scambiare altri suoni per sussurri.

Il team di KKL ha messo un sacco di impegno per caratterizzare questo rumore di fondo. Hanno misurato diversi tipi di radiazione sia durante i periodi "acceso" che "spento" del reattore per trovare il posto migliore per il loro equipaggiamento. Facendo così, possono minimizzare le possibilità di confondere segnali reali con il rumore.

#Misurazioni e risultati delle radiazioni

I ricercatori hanno scoperto che mentre il reattore è in funzione, ci sono un sacco di neutroni termici che rimbalzano in giro. Queste sono particelle che possono sfuggire dal reattore e causare un sacco di rumore di fondo. Durante le loro misurazioni, hanno scoperto un tasso massimo di fluenza di neutroni che potrebbe essere piuttosto fastidioso. Hanno anche esaminato Raggi Gamma e Muoni, che sono altre particelle fastidiose che potrebbero interferire con i loro rivelatori.

Il team ha usato rivelatori speciali per studiare il rumore di fondo dei raggi gamma. Hanno prestato attenzione a specifici tipi di radiazione che potrebbero essere collegati con la potenza termica del reattore. Hanno misurato per energie superiori a 11 MeV, scoprendo che i tassi di fondo durante il funzionamento del reattore erano significativamente più alti rispetto ai momenti in cui il reattore era spento.

#Equipaggiamento e setup

L’esperimento utilizza rivelatori altamente sensibili fatti di germanio, noto per la sua capacità di rilevare segnali a bassa energia. I rivelatori sono stati posizionati dietro una serie di strati protettivi progettati per bloccare il più possibile la radiazione indesiderata. Questi strati includono piombo e polietilene trattato appositamente, che aiutano a proteggere i rivelatori dal rumore di fondo nocivo.

Inoltre, il setup ha incorporato un sistema attivo di veto per muoni fatto di piastre di scintillazione che aiuta a identificare e rifiutare segnali dai muoni. Questo setup è fondamentale poiché i muoni sono come ospiti non invitati a una festa: si presentano ovunque!

#Condizioni ambientali

La stanza in cui sono stati posizionati i rivelatori è stata monitorata attentamente per diverse condizioni ambientali come temperatura, umidità e livelli di radon. Questi fattori possono influenzare il funzionamento dei rivelatori. Ad esempio, mantenere la temperatura stabile è importante; se diventa troppo calda, i rivelatori possono iniziare a produrre segnali falsi, proprio come una persona che diventa irascibile col caldo.

Durante i preparativi, il team ha scoperto che la concentrazione media di radon nell'aria nella stanza era di circa 110 Bq/m³. Il radon è un gas naturale che può aumentare la radiazione di fondo ed è spesso trovato in luoghi con spesse pareti di cemento, come l'edificio di contenimento del reattore.

#Vibrazioni e movimenti

Un'altra sfida affrontata dal team è stata la vibrazione. Le operazioni del reattore producono lievi vibrazioni che potrebbero portare a letture errate sui rivelatori. Per affrontare questo problema, hanno condotto test per misurare le vibrazioni in diverse posizioni nella stanza. Hanno confrontato queste vibrazioni con quelle trovate in ambienti di laboratorio controllati per capire il loro impatto sull’esperimento. Fortunatamente, le vibrazioni nella stanza sperimentale non erano così male, e hanno scoperto che qualsiasi potenziale impatto sulle prestazioni del rivelatore era minimo.

#Controlli di contaminazione superficiale

Come se tutto questo non fosse abbastanza complicato, gli scienziati hanno dovuto anche affrontare la contaminazione superficiale da radioisotopi artificiali. Questi contaminanti possono accumularsi su diverse superfici a causa delle operazioni nel reattore e possono portare a tassi di fondo più elevati. Per tenere sotto controllo la situazione, sono stati eseguiti test di strofinamento sulle superfici per verificare la contaminazione. Sorprendentemente, hanno trovato profili di contaminanti diversi nei loro due siti precedenti, dimostrando che ogni reattore ha la sua "personalità".

L'analisi ha rivelato che il sito KKL conteneva isotopi come cobalto e manganese, mentre il sito KBR aveva più tracce di cesio e argento. Questa differenza è fondamentale perché aiuta il team a prevedere fonti di errore nelle loro letture.

#Muoni cosmici: i disturbatori

Naturalmente, non possiamo dimenticare i muoni cosmici: le particelle ad alta energia dallo spazio che ci piovono addosso. Questi piccoli possono causare scompiglio in qualsiasi rivelatore. A KKL, il team ha valutato il flusso di muoni usando un piccolo rivelatore di scintillazione liquida. Hanno scoperto che il flusso medio di muoni era di circa 107 muoni per metro quadrato al secondo, che era più basso del previsto a causa del sovraccarico della struttura del reattore.

Questo sovraccarico, o la schermatura fornita dalla terra e dalla costruzione dell'edificio del reattore, aiuta a ridurre il numero di muoni che raggiungono i rivelatori. Tuttavia, non li elimina completamente. Gli scienziati hanno scoperto che anche con questa schermatura, c'era ancora abbastanza rumore di fondo causato dai muoni da destare preoccupazione.

#Misurazioni del Flusso di Neutroni

Il team ha anche misurato il flusso di neutroni, che è un altro aspetto critico per capire il rumore di fondo. Hanno scoperto che durante il funzionamento del reattore, il flusso di neutroni era circa 30 volte più alto rispetto a quanto misurato precedentemente in un altro sito reattore. Questo aumento era previsto, data la vicinanza del reattore.

Le misurazioni dei neutroni sono state effettuate utilizzando varie tecniche, inclusi i rivelatori Bonner Sphere, che aiutano a catturare neutroni di diverse energie. Il team ha monitorato attentamente la fluence di neutroni e ha annotato le differenze durante i periodi in cui il reattore era acceso e spento.

#L'impatto delle condizioni di fondo

Confrontando i risultati di KKL con il precedente sito dell’esperimento CONUS a KBR, il team ha notato differenze significative nelle condizioni di fondo. Le correzioni per i neutroni per entrambi i siti erano essenziali, poiché il flusso di neutroni più elevato a KKL aggiungeva complessità ai risultati.

Gli scienziati miravano a migliorare il design delle loro schermature in base ai loro risultati, riconoscendo che potevano rimuovere alcuni strati di piombo aggiungendo ulteriori sistemi di veto per muoni per adattarsi al background di muoni più elevato a KKL.

#Conclusioni e passi futuri

In conclusione, questo esperimento ha dimostrato che caratterizzare le condizioni di fondo è fondamentale per il successo degli esperimenti di rilevamento dei neutrini. La differenza nelle condizioni di fondo tra KKL e KBR ha dimostrato che ogni posizione ha le sue sfide uniche. Questa variabilità sottolinea la necessità di campagne dedicate di caratterizzazione del fondo per qualsiasi futuro esperimento sui neutrini.

Andando avanti, il team continuerà a monitorare e affinare le loro misurazioni, cercando nuovi modi per minimizzare il rumore di fondo e migliorare le capacità di rilevamento. Sono determinati a garantire che la loro comprensione delle condizioni di fondo porti a risultati di successo nella loro ricerca di neutrini elusivi.

In fin dei conti, anche se il viaggio per condurre questo esperimento è complesso, pieno di sfide simili a mandare a spasso gatti, il team è deciso a navigare attraverso il rumore per trovare i segnali che cercano. Dopotutto, chi non vorrebbe scoprire qualcosa di figo come i neutrini?