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Molecule for low diffusion TPCs for rare event searches

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Cogliere sul fatto un Houdini cosmico getterà nuova luce sull’enigmatico neutrino

Teoricamente, ogni particella di materia ha una corrispondente particella di antimateria, eppure osserviamo molta più materia che antimateria. L’ipotesi che il misterioso neutrino possa essere il suo stesso antineutrino risolve questa asimmetria e potrebbe presto essere sostenuta dai dati grazie a una maggiore capacità di rilevamento.

Ricerca di base

Nell’ultimo secolo, le teorie e le scoperte sperimentali hanno portato a una notevole comprensione dei (pochissimi) elementi costitutivi fondamentali del nostro Universo, ovvero ciò che compone ogni cosa. Il modello standard della fisica delle particelle, sviluppato negli anni ‘70, è la nostra descrizione più completa del mondo delle particelle. Lo stesso, però, presenta alcune importanti e ben note lacune. Con il sostegno delle Azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA), il progetto MELODIC ha aperto la strada per colmare alcune di queste lacune con informazioni uniche sui neutrini, la materia e l’antimateria e la fisica oltre il modello standard.

Ora lo vedi, ora non lo vedi

Le particelle e le loro antiparticelle hanno la stessa massa e cariche uguali ma opposte e si annientano l’una con l’altra quando sono in prossimità. Questo fenomeno presenta interessanti implicazioni per il neutrino privo di carica e molti ora credono che queste enigmatiche particelle possano comportarsi sia da materia che da antimateria. Uno dei modi migliori per studiare gli antineutrini è quello di rilevare il verificarsi del doppio decadimento beta senza neutrini (0νββ), finora solo ipotizzato. Il doppio decadimento beta (2νββ), un raro evento che è stato osservato in diversi isotopi, provoca l’emissione di due elettroni e due neutrini. La borsista MSCA, Neus López March, continua: «0νββ è un ipotetico processo in cui un nucleo atomico subisce un decadimento radioattivo con l’emissione di due elettroni e nessun neutrino. Ciò può avvenire solo se il neutrino è il suo stesso antineutrino e le due particelle si annientano a vicenda. L’osservazione di questo processo potrebbe spiegare perché nell’Universo c’è più materia che antimateria, una delle questioni aperte più importanti della fisica delle particelle».

La nebbia si dissolve

López March si è prefissata l’obiettivo di migliorare la capacità di rilevamento di 0νβββ in una camera a proiezione temporale (TPC, Time Projection Chamber) allo xeno ad alta pressione, riducendo la diffusione degli elettroni, migliorando così la risoluzione e il rigetto di fondo. È possibile rilevare 0νβββ misurando l’energia degli elettroni rilasciati nel decadimento dell’isotopo xenon-136 per vedere se il totale ammonta esattamente a 2,458 MeV, il che significa che nessuna energia è stata portata via da neutrini non rilevabili. «Abbiamo sfruttato lo xeno drogato con elio per diminuire la diffusione, sfruttando il fatto che gli elettroni si raffreddano meglio attraverso collisioni elastiche con l’elio piuttosto che con lo xeno. In questo modo si evita che la traccia di ionizzazione si dissolva, migliorando il rilevamento. Poi, l’uso di una serie di fotomoltiplicatori al silicio ha fornito informazioni topologiche in grado di distinguere tra eventi a due e a un solo elettrone», spiega López March. Applicando questi principi, il team di fisici e ingegneri meccanici ed elettronici di López March ha progettato, costruito e gestito il rivelatore NEXT-DEMO++, un dimostratore per il NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) presso l’IFIC, il tutto nell’ambito della borsa di studio biennale MSCA.

Pronti per ciò che verrà

I risultati preliminari del dimostratore hanno confermato che la diffusione trasversale è ridotta di tre volte quando si droga lo xeno con il 15 % di elio. È in corso una pubblicazione. Questo miglioramento potrebbe essere proprio quello di cui abbiamo bisogno per osservare finalmente la scomparsa di un doppio neutrino che fornisce la prova che i neutrini sono anche antineutrini, alterando per sempre la descrizione del nostro Universo di particelle.

Parole chiave

MELODIC, neutrino, xeno, materia, antimateria, doppio decadimento beta, senza neutrini, elettrone, modello standard, antineutrino, Neutrino Experiment with a Xenon TPC (NEXT)

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