Progressi nella tecnologia di rilevamento di eventi nucleari

Nella ricerca di eventi nucleari rari, gli scienziati stanno testando nuovi rivelatori in una struttura sotterranea in Spagna. Questi rivelatori sono progettati per cercare un tipo specifico di decadimento nucleare conosciuto come decadimento doppio beta. Per questo, stanno utilizzando due tipi di Bolometri scintillanti realizzati con materiali cristallini speciali.

#Cos'è un Bolometro Scintillante?

Un bolometro scintillante è un dispositivo che può rilevare luce e calore generati da interazioni con particelle nucleari. Quando certe particelle colpiscono il cristallo, producono luce e calore. Il bolometro cattura entrambi i segnali e consente ai ricercatori di analizzare l'energia delle interazioni, fornendo dati importanti per comprendere processi nucleari rari.

#La Posizione e l'Installazione

I test avvengono presso il laboratorio sotterraneo di Canfranc, conosciuto anche come struttura CROSS. Questo laboratorio è stato dotato di un nuovo sistema di sospensione dei rivelatori che aiuta a ridurre il rumore e le vibrazioni, che possono interferire con le misurazioni. La struttura utilizza un tipo speciale di sistema di raffreddamento che può raggiungere temperature molto basse, essenziali per il funzionamento di questi rivelatori sensibili.

#I Cristalli Utilizzati nei Rivelatori

I due cristalli principali utilizzati in questa ricerca sono il tungstato di cadmio (CdWO4) e il molibdato di litio (Li2MoO4). Il cristallo CdWO4 è stato testato in precedenza ed è utilizzato come rivelatore di riferimento. Il cristallo Li2MoO4 è stato sviluppato di recente attraverso un progetto mirato a migliorare la tecnologia dei rivelatori per esperimenti di nuova generazione.

Entrambi i cristalli hanno proprietà promettenti per rilevare i specifici livelli energetici associati al decadimento doppio beta. Quando le particelle interagiscono con questi materiali, producono luce, che viene poi catturata da rivelatori di luce accoppiati ai cristalli.

#Risultati nel Raffreddamento e nelle Prestazioni

I ricercatori sono riusciti a raffreddare i rivelatori fino a 15 mK, che è molto vicino allo zero assoluto. A queste basse temperature, i rivelatori hanno mostrato prestazioni eccellenti, in particolare nella risoluzione energetica. Il rivelatore CdWO4 ha dimostrato una risoluzione di 6 keV, che è tra le migliori per i rivelatori termici realizzati con questi materiali.

Anche il rivelatore Li2MoO4 ha mostrato una buona risoluzione energetica, rendendolo un forte candidato per esperimenti futuri focalizzati su decadimenti nucleari rari.

#Strategie di Riduzione del Rumore

Nella struttura aggiornata, le condizioni di rumore sono state notevolmente migliorate. I ricercatori hanno scoperto che il nuovo sistema di sospensione riduce efficacemente le vibrazioni causate dall'attrezzatura di raffreddamento. Tuttavia, è stato ancora rilevato un certo rumore ad alta frequenza, indicando che ulteriori miglioramenti potrebbero essere fatti nel cablaggio e nel design dell'installazione.

#Importanza della Radiopurità

La radiopurità si riferisce al livello di contaminazione radioattiva nei materiali utilizzati per i rivelatori. Un'alta radiopurità è essenziale per garantire che il rumore di fondo non oscura i segnali di eventi rari. I cristalli Li2MoO4 utilizzati in questo progetto hanno raggiunto un buon livello di radiopurità, mostrando solo tracce di elementi radioattivi come il Polonio-210 e il Radon-226, che sono al di sotto dei livelli che interferirebbero con gli esperimenti.

#Capacità di Identificazione delle Particelle

Entrambi i bolometri scintillanti hanno mostrato forti capacità di identificazione delle particelle. Il rivelatore CdWO4 può distinguere efficacemente tra diversi tipi di particelle grazie alla sua alta efficienza di scintillazione. Al contrario, il rivelatore Li2MoO4 ha mostrato una minore efficienza di scintillazione, ma ha comunque funzionato bene per l'identificazione delle particelle.

Applicando una tecnica specifica di amplificazione del segnale chiamata effetto Neganov-Trofimov-Luke, i ricercatori hanno migliorato le prestazioni dei rivelatori di luce accoppiati a entrambi i tipi di bolometri. Questa amplificazione ha consentito una maggiore sensibilità e una migliore rilevazione delle particelle.

#Panoramica sul Decadimento Doppio Beta

Il decadimento doppio beta è un processo nucleare raro in cui un nucleo emette due elettroni anziché uno. Questo si verifica in alcuni isotopi ed è un'area critica di studio per cercare di comprendere la fisica fondamentale, in particolare in relazione ai neutrini. La ricerca del decadimento doppio beta è una motivazione primaria per questi esperimenti, poiché scoprire questo decadimento avrebbe significative implicazioni per la nostra comprensione della fisica delle particelle.

#Prospettive Future

La ricerca in corso mira a migliorare ulteriormente le tecnologie utilizzate in questi rivelatori. I progressi ottenuti in questo studio pongono le basi per futuri esperimenti focalizzati sul decadimento doppio beta e altri processi nucleari rari. Gli obiettivi principali per il futuro includono migliorare la sensibilità dei rivelatori, raggiungere livelli ancora più elevati di radiopurità e migliorare il design complessivo per minimizzare le interferenze del rumore.

Con l'evoluzione di queste tecnologie, gli scienziati potranno apprendere di più sulle forze fondamentali della natura e sul comportamento delle particelle subatomiche, contribuendo alla nostra comprensione generale dell'universo.

#Conclusione

In sintesi, la ricerca condotta presso la struttura CROSS rappresenta un passo significativo avanti nella ricerca di eventi nucleari rari. L'uso di bolometri scintillanti avanzati realizzati con cristalli CdWO4 e Li2MoO4 dimostra il potenziale di queste tecnologie per future indagini sul decadimento doppio beta e altre aree importanti nella fisica delle particelle. I continui miglioramenti nelle prestazioni, nella radiopurità e nella riduzione del rumore sono cruciali per il successo degli esperimenti di nuova generazione che cercano di esplorare i misteri dell'universo.