Borexino

Borexino cover slide

 

Introduzione

Borexino è un esperimento di fisica delle particelle situato nella Sala C dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, a circa 150 km nord-est di Roma. Borexino è un rivelatore a scintillatore liquido di grandi dimensioni il cui scopo primario è lo studio delle proprietà di neutrini solari a bassa energia. Gli eccezionali livelli di radiopurezza raggiunti da Borexino nel corso degli anni hanno reso possibile non solo il raggiungimento degli obbiettivi di ricerca principali ma anche la produzione di numerosi risultati di valore nell’ambito della geofisica e in quello dello studio dei cosiddetti processi rari o proibiti.
 
 

Descrizione

Nel corso dei passati decenni, le proprietà della particella subatomica detta neutrino sono state studiate da diversi esperimenti con diverse tecniche. Borexino è uno dei rivelatori di neutrini tra i più avanzati mai costruiti e, a partire dal 2007, sta raccogliendo i dati forniti da un’intensa sorgente naturale di neutrini: la stella del nostro sistema solare, il Sole.
Il Sole è alimentato da reazioni nucleari altamente efficienti governate dalla cosiddetta interazione nucleare debole. La tipica reazione di fusione, detta terminazione, può essere espressa come:
BOREX1
 
ed è una reazione dove quattro protoni si fondono generando una particella alfa, due elettroni e, per l’appunto, due neutrini (ν). Insieme a queste particelle è inoltre rilasciata un’energia E pari a 26 MeV (Mega electron volts). Il Sole è una sorgente di neutrini molto potente: si pensi che, ogni secondo, circa 6 x 1010 neutrini provenienti dal sole colpisco un centimetro quadro di Terra! I processi di fusione che generano neutrini, fotoni ed energia solare hanno luogo nella parte più interna del Sole. I fotoni impiegano milioni di anni per raggiungere la superficie del Sole, i neutrini invece sono in grado di attraversare tutta la materia della nostra stella (essenzialmente idrogeno ed elio) e arrivare sulla superficie della Terra in circa 8 minuti. I neutrini riescono, infatti, a viaggiare alla velocità della luce grazie ad una loro peculiare caratteristica: la bassissima (~ 10-46 cm2) capacità di interazione con la materia (detta sezione d’urto). La maggior parte dei neutrini attraversa il Sole e la Terra quasi senza interagire.
Ed è unicamente all’interno di grandi rivelatori come Borexino che una massiccia compensazione tra un numero piccolissimo (la sezione d’urto, 10-46 cm2) e uno incredibilmente grande (il flusso di neutrini solari, ~ 1010 cm-2 s-1) ha luogo, risultando in un numero ancora relativamente piccolo (~ 10-36 interazioni per secondo per unità di bersagli) che può però essere ragionevole nel momento in cui in numero di bersagli è molto alto. In Borexino, vi sono 1300 tonnellate di scintillatore (equivalenti a circa 1030 bersagli) e 2400 tonnellate di acqua.

Uno scintillatore è un materiale che emette luce quando è attraversato da una particella subatomica carica come ad esempio un elettrone. La rivelazione di neutrini in Borexino è realizzata utilizzando gli elettroni dello scintillatore liquido come bersaglio secondo la reazione:

 BOREX2

in cui i neutrini colpiscono gli elettroni del materiale. Mentre l’elettrone a sinistra dell’equazione è in pratica a riposo, quello a destra riceve energia dal neutrino interagente ed è quindi in grado di generare un segnale di scintillazione (della luce) in taluni materiali speciali, detti scintillatori. In Borexino questo lampo di luce viene rivelato dai 2200 fotomoltiplicatori che essenzialmente sono proprio sensori di luce: la rivelazione di impulsi di luce da parte del sistema di fotomoltiplicatori è la firma inequivocabile del passaggio di un neutrino. Lo studiare lo spettro dei neutrini solari è però tutt’altro che semplice.
Il fondo radiativo è un grande problema sperimentale e rende la rivelazione di neutrini molto difficile. Il fondo ha diverse componenti (o origini) ma le principali sono la radioattività dei materiali del rivelatore stesso, dell’ambiente in cui il rivelatore è costruito e i raggi cosmici.
Nella regione energetica sotto 1 MeV, gli esperimenti possono essere seriamente compromessi dal fondo radiativo. In particolare, il fondo da raggi cosmici impone che questi esperimenti abbiano luogo in laboratori sotterranei: ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, lo spessore medio della roccia sovrastante è di circa 1400 m e riduce (rispetto alla superficie) di un fattore 106 il flusso di muoni. Per meglio comprendere la difficoltà della misura, si pensi che il segnale di neutrini solari da 7Be atteso in 100 tonnellate dello scintillatore di Borexino è circa 10-9 Bq/Kg mentre della normale acqua in natura è caratterizzata da contaminazioni dell’ordine di 10 Bq/Kg in 238U, 232Th e 40K.
Borexino è stato specificatamente progettato per lo studio dei neutrini solari a bassa energia. Il successo di Borexino arriva come risultato di 15 anni di ricerca in cui, sviluppando le migliori tecniche di purificazione dello scintillatore, la collaborazione è riuscita non solo a raggiungere ma a migliorare ampiamente i limiti di radiopurezza richiesti. Attualmente Borexino è il luogo meno radioattivo del mondo!
L’esperimento Borexino ha cominciato a raccogliere dati nel 2007. Da allora, ha prodotto un considerevole numero di risultati scientifici tra cui la prima spettroscopia diretta dei neutrini solari dalla reazione protone-protone, la misura di precisione del tasso di interazione dei neutrini solari da 7Be (errore inferiore al 5%), la prima misura diretta del flusso di neutrini solari p-e-p, e la misura del tasso di interazione dei neutrini solari da 8B a bassa soglia energetica. Oltre ai risultati in ambito solare, Borexino ha anche pubblicato risultati significativi in altri campi della fisica come, ad esempio, la prima osservazione di anti-neutrini terrestri (i cosiddetti geoneutrini) e numerosi limiti su processi rari o proibiti. Oltre a queste applicazioni, Borexino offre un’opportunità unica per eseguire uno studio sulle oscillazioni di neutrini a breve distanza. Questa è l’idea alla base di SOX (Short distance neutrino Oscillations with boreXino).
L’esperimento SOX aspira alla completa conferma o a chiara smentita delle cosiddette “anomalie di neutrini”, prove circostanziali della sparizione di neutrini elettronici che sono state osservate a LSND, MiniBOone, con i reattori nucleari e con i rivelatori di neutrini solari al Gallio.
Se SOX avrà successo, dimostrerà inequivocabilmente l’esistenza della componente sterile dei neutrini e aprirà una nuova era nel campo della fisica delle particelle fondamentali e della cosmologia. L’osservazione di un segnale fisico significherebbe, infatti, la scoperta della prima particella oltre il modello standard elettrodebole.
In caso di risultato negativo, SOX avrà comunque il pregio di poter chiudere il lungo dibattito circa la veridicità delle anomalie di neutrini, proverà l’esistenza di nuova fisica nelle interazioni di neutrini a bassa energia, misurerà il momento magnetico del neutrino ed infine servirà come ottima calibrazione in energia per Borexino consentendo in futuro misure di neutrini solari ad altissima precisione.
L’esperimento SOX utilizzerà un innovativo generatore di antineutrini composto da 144Ce. Questo generatore sarà dislocato nei pressi del rivelatore Borexino e produrrà decine di migliaia di interazioni di antineutrini nel volume interno del rivelatore Borexino. L'inizio dell’esperimento SOX è previsto per il 2018, la presa dati durerà circa 18 mesi.
L’esperimento Borexino-SOX è gestito da una collaborazione internazionale di circa 140 scienziati provenienti dall’Italia (Sezioni INFN e Università di Milano, Ferrara, Genova, Perugia, Napoli, Laboratori Nazionali del Gran Sasso e GSSI), dalla Francia (CEA Saclay e APC Parigi), dalla Germania (TUM Monaco, MPI-K Heildelberg, TU Dresda, Università di Tuebingen, Amburgo e Mainz), dalla Russia (JINR Dubna, Università Lomosonov Mosca, Kurchatov Institute Mosca e NPI S. Pietroburgo), dalla Polonia (Università Jagellonian), dall’Ucraina (Kiev INR) e dagli Stati Uniti (Università di Princeton, Hawaii, Massachusetts Amherst, Houston, UCLA e Virginia Polytechnic Institute).
 
Responsabili del progetto
Marco Pallavicini (INFN Genova)
Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo. (INFN Milano)
 
 

Collaborazione

ITALIA
INFN and University of Milano: D. Basilico, G. Bellini, A. Brigatti, B. Caccianiga, D. D'Angelo, M.G. Giammarchi, P. Lombardi, L. Ludhova, E. Meroni, L. Miramonti, S. Parmeggiano, G. Ranucci, A. Re, P. Saggese
INFN and University of Ferrara: G. Fiorentini, F. Mantovani, B. Ricci
INFN and University of Genova: A. Caminata, M. Cariello, L. Di Noto, S. Farinon, C. Ghiano, R. Musenich, L. Pagani, M. Pallavicini, L. Perasso, G. Testera, S. Zavatarelli
INFN and University of Perugia: F. Ortica, N. Pelliccia, A. Romani
INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso: G. Bonfini, G. Di Pietro, F. Gabriele, A. Ianni, M. Laubenstein, F. Lombardi, M. Orsini, R. Roncin, N. Rossi, R. Tartaglia
Gran Sasso Science Institute: S. Davini, I. Drachnev, S. Marcocci
 
FRANCIA
CEA Saclay: X. Avery, N. Berton, M. Cribier, T. Cuvillier, G. Durand, M. Durero, V. Fischer, J. Gaffiot, W. Gamache, T. Houdy, N. Jonqueres, T. Lassere, D. Leterme, D. Loiseau, P. Lotrus, G. Mention, H. Przybilsky, G. Rampal, Y. Reinert, L. Scola, C. Veyssiere, M. Vivier, P. Yala
APC Paris: D. Franco, D. Kryn, M. Obolensky, D. Vignaud
 
GERMANIA
TUM Munich: M. Agostini, K. Altenmuller, S. Appel, M. Goeger-Neff, B. Neumair, L. Oberauer, L. Papp, S. Schoenert, F. Von Feilitzsch
MPI-K Heidelberg: W. Maneschg, H. Simgen
TU Dresden: B. Lehnert, J. Thurn, K. Zuber
University of Tuebingen: T. Lachenmaier
University of Hamburg: D. Bick, C. Hagner, M. Kaiser, M. Meyer
University of Mainz: S. Weinz, J. Winter, M. Wurm
 
RUSSIA
JINR Dubna: K. Fomenko, A. Formozov, D. Korablev, O. Smirnov, A. Sotnikov, A. Vishneva, O. Zaimidoroga
Lomonosov State University Moscow: A. Chepurnov, M. Gromov
Kurchatov Institute Moscow: V. Atroshchensko, L. Borodikhina, A. Etenko, E. Litvinovich, G. Lukyanchenko, I. Machulin, V. Orekhov, D. Pugachev, M. Skorokhvatov, S. Sukhotin, M. Toropova
NPI St. Petersburg: A. Derbin, V. Muratova, D. Semenov, E. Unzhakov
 
POLONIA
Jagellonian University Krakow: M. Misiaszek, M. Wojcik, G. Zuzel
 
UCRAINA
Kiev INR: V. Kobychev
 
USA
University of Princeton: J. Benziger, F.P. Calaprice, C. Galbiati, A. Goretti, A.M. Ianni
University of Hawaii: K. Choi, J. Maricic
University of Amherst Massachusetts: A. Pocar, J. Sainz
University of Houston: E. Hungerford, G. Korga
UCLA: Y. Suvorov, H. Wang
Virginia Polytechnic Institute: D. Bravo, P. Cavalcante, B. Vogelaar, Z. Yokley
 
 

Pubblicazioni recenti

G. Bellini et al., Nature, vol. 512, 383-386 (2014).
G. Bellini et al., Physical Review D, vol. 89, 112007 (2014).
G. Bellini et al., Physics Letters B, vol. 722, 295 (2013).
G. Bellini et al., Journal of High Energy Physics, vol. 8, 038 (2013).
 
Sito ufficiale