Neutroni freddi ad alta intensità esplorano più a fondo l’asimmetria tra materia e antimateria
European Spallation Source (ESS) è un laboratorio internazionale multidisciplinare costruito grazie alla collaborazione di 13 paesi europei. Con sede a Lund (Svezia) e Copenaghen (Danimarca), ospiterà la più potente sorgente di neutroni basata su acceleratore al mondo. L’ESS dovrebbe fornire una visione approfondita della struttura e del comportamento dei materiali ai livelli più piccoli. La capacità dei neutroni di penetrare in profondità nei materiali e la loro sensibilità agli elementi leggeri come l’idrogeno e il litio li rendono ideali per studiare campioni fragili. Questo apre nuove strade per la ricerca nella scienza dei materiali, nella chimica, nella biologia strutturale e nella fisica fondamentale delle particelle.
Pianificazione di una seconda sorgente di neutroni
A partire dal 2027, l’ESS prevede di lanciare un programma per gli utenti che comprenderà fino a 15 strumenti per la diffusione di neutroni. «Il criterio principale per la progettazione della sorgente iniziale è stato quello di ottenere una luminosità neutronica eccezionalmente elevata. Ma la visione dell’ESS non si ferma qui. Il suo design flessibile consente l’integrazione di una seconda sorgente di neutroni», osserva Valentina Santoro, coordinatrice del progetto HighNESS finanziato dall’UE. Questa sorgente aggiuntiva avrà caratteristiche complementari in grado di fornire neutroni freddi ad alta intensità - caratterizzati da basse energie per l’esame delle strutture atomiche. Essa genererà anche neutroni a energie ancora più basse, denominati neutroni molto freddi (VCN, very cold neutron) e ultra-freddi, ampliando la portata delle capacità di ricerca. «Queste nuove capacità consentiranno di realizzare progetti ambiziosi nel campo della fisica fondamentale, tra cui la ricerca dell’oscillazione tra neutroni e anti-neutroni, potenzialmente in grado di risolvere uno dei misteri più importanti dell’universo: l’asimmetria tra materia e antimateria», spiega Santoro. A tal fine, l’obiettivo principale di HighNESS è stato quello di progettare una seconda sorgente di neutroni complementare alla sorgente bi-spettrale ad alta luminosità posta sopra il bersaglio di spallazione. Questa nuova sorgente sarà in grado di servire i futuri strumenti di scattering neutronico previsti per l’ESS. «La nostra proposta comprendeva un caso scientifico che coinvolgeva varie tecniche di diffusione di neutroni, tra cui l’esperimento NNBAR, che cerca di rilevare l’oscillazione tra neutroni e anti-neutroni», afferma Santoro. «Senza una sorgente che fornisca un’intensità molte volte superiore all’attuale moderatore dell’ESS, i nostri obiettivi scientifici non sarebbero realizzabili», sottolinea Santoro. «Il deuterio liquido, utilizzato per decenni nei reattori e nelle sorgenti di spallazione continua, si è rivelato l’unica opzione praticabile per una sorgente di questo tipo». Il progetto finale ha fornito un’intensità dieci volte superiore a quella dell’attuale sorgente dell’ESS, fondamentale per consentire all’esperimento NNBAR di raggiungere i livelli di sensibilità previsti. Inoltre, la sorgente fredda presenta una superficie di emissione più estesa rispetto al moderatore superiore, che è stata utilizzata per la progettazione di strumenti innovativi di scattering di neutroni che supereranno quelli in costruzione presso l’ESS.
Superare le difficoltà
L’ambizione di sviluppare una sorgente intensa di VCN è durata oltre due decenni, con ostacoli dovuti principalmente alla limitata comprensione delle proprietà dei materiali a bassa temperatura, ritenuti candidati promettenti per tale sorgente. Per affrontare questo problema, HighNESS ha sviluppato con successo librerie di dati nucleari essenziali per simulazioni affidabili e per la progettazione di sorgenti di neutroni. Questo sviluppo rappresenta un importante passo in avanti nella progettazione delle sorgenti e, aderendo a una politica di open-source, è ora accessibile alla comunità. HighNESS ha inoltre facilitato la collaborazione con NNBAR per ottenere una sensibilità doppia rispetto a quella originariamente proposta, grazie alla progettazione di una sorgente fredda di altissima qualità, a un nuovo sistema ottico e a studi sul rivelatore. «In sintesi, abbiamo sviluppato una sorgente che posiziona l’ESS come la sorgente di neutroni più versatile al mondo, rafforzando ulteriormente la leadership europea nella scienza dei neutroni», conclude Santoro.
Parole chiave
HighNESS, ESS, neutroni freddi, NNBAR, asimmetria tra materia e antimateria, oscillazione neutroni-antineutroni, European Spallation Source
