Nuovo Rilevatore Migliora le Misurazioni della Fisica delle Particelle

Un nuovo rivelatore di germanio ad alta purezza (HPGe) è stato installato nel sito sperimentale sotterraneo di Kamioka. Questo nuovo rivelatore è progettato per avere un conteggio di fondo molto basso, il che significa che può rilevare segnali in modo più preciso senza interferenze da altre fonti di radiazione.

#Miglioramenti Rispetto ai Rivelatori Precedenti

Una delle principali novità con questo nuovo rivelatore è il processo di pulizia dei materiali di schermatura che lo circondano. Usando acido nitrico ultra-puro per pulire queste superfici, il tasso di conteggio di fondo è stato ridotto di circa il 25% rispetto a un rivelatore installato nel 2016, che aveva specifiche simili. Questo significa che il nuovo rivelatore, chiamato Ge02, può fornire dati più chiari e misurazioni più precise.

#Configurazione di Schermatura

La configurazione di questo rivelatore include vari strati di schermatura che lo proteggono dalla radiazione di fondo. Questa schermatura è fatta di rame e piombo di alta qualità, che aiutano a bloccare la radiazione indesiderata dai risultati del rivelatore. La camera dei campioni di Ge02 è spaziosa, permettendo di misurare campioni più grandi, importante per gli esperimenti in corso.

Per ridurre ulteriormente la radiazione di fondo dal gas radon, la camera dei campioni è continuamente riempita con aria priva di radon. La pulizia approfondita dei materiali di schermatura e il design della camera giocano entrambi ruoli vitali nel minimizzare il rumore di fondo.

#Importanza della Selezione dei Materiali

La selezione dei materiali è un passaggio cruciale negli esperimenti che cercano eventi rari, come la rilevazione dei neutrini. Per progetti in corso come gli esperimenti Super-Kamiokande (SK-Gd) e KamLAND-Zen, è importante assicurarsi che i materiali contengano livelli molto bassi di impurità radioattive. Ad esempio, il Gd usato in questi esperimenti deve avere livelli estremamente bassi di uranio e torio.

#Specifiche del Rivelatore

Il nuovo rivelatore Ge02 ha una massa cristallina di 1,7 kg, con un livello di efficienza dell'80%, il che significa che può rilevare una quantità significativa di radiazione. È posizionato sottoterra, sotto un pesante strato di roccia che aiuta a ridurre il numero di raggi cosmici, che possono interferire con le misurazioni. Il design include un'attenta stratificazione dei materiali per proteggere dalla radiazione e garantire letture accurate.

#Sistema di Acquisizione Dati

La raccolta dati da Ge02 coinvolge diversi componenti. Il segnale iniziale dal rivelatore viene amplificato e poi registrato da un apposito digitalizzatore. Questo sistema è progettato per catturare i segnali in modo preciso e ridurre il rumore da interferenze elettroniche. La calibrazione del rivelatore viene eseguita regolarmente utilizzando fonti radioattive note, il che aiuta a garantire che le sue letture rimangano coerenti e affidabili.

#Misurazioni di Fondo e Campioni

Dal momento in cui il nuovo rivelatore HPGe ha iniziato a funzionare alla fine del 2021, sono state eseguite tre sessioni di acquisizione dati di fondo a lungo termine. Gli spettri di fondo di queste sessioni hanno mostrato una diminuzione della radiazione nel tempo. Questa tendenza suggerisce che i processi di pulizia hanno ridotto efficacemente i segnali indesiderati dai materiali di schermatura precedenti.

Quando si misurano i campioni, vengono sigillati in sacchetti speciali per prevenire la contaminazione da radon. Dopo che un campione è stato posizionato nella camera, inizia la raccolta dati, ma i dati iniziali del periodo di distribuzione del campione sono spesso esclusi per mantenere l'accuratezza.

#Risultati e Riscontri

L'analisi dei dati raccolti consente agli scienziati di determinare i livelli di radioattività in vari campioni. Ad esempio, il nuovo rivelatore ha mostrato sensibilità a livelli molto bassi di uranio e torio nei campioni di Gadolinio. Questa capacità ha importanti implicazioni per la ricerca in corso sui neutrini e altri eventi rari.

In pratica, il rivelatore ha misurato con successo la radioattività dei campioni di Gd. Ha dimostrato che, tranne per un isotopo, la maggior parte dei campioni non aveva livelli significativi di radioattività. Questo successo dimostra l'efficacia e l'affidabilità del rivelatore nella selezione dei materiali.

#Conclusione

Lo sviluppo di questo nuovo rivelatore HPGe a basso fondo segna un importante traguardo nella ricerca di misurazioni accurate nella fisica delle particelle. Riducendo il rumore di fondo e gestendo attentamente i materiali di schermatura, i ricercatori possono raccogliere dati più precisi, essenziali per esperimenti in corso e futuri.

Il lavoro in corso con questo rivelatore è cruciale per esperimenti come SK-Gd e KamLAND-Zen che cercano di esplorare questioni fondamentali nella scienza. La collaborazione con varie organizzazioni e il supporto dei finanziamenti governativi hanno reso tutto ciò possibile, e la comunità scientifica attende con interesse gli preziosi approfondimenti che questo nuovo rivelatore fornirà.

Con la continuazione della ricerca, la capacità di misurare livelli più bassi di radioattività migliorerà la comprensione degli eventi rari e contribuirà ulteriormente ai progressi in questo campo di studio. Il futuro di questi esperimenti promette, con il potenziale per nuove scoperte che potrebbero ridefinire la comprensione nella fisica delle particelle e oltre.