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Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Info
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

 

Nome: Borexino

Che cos’è: esperimento per lo studio dei neutrini

Dove: Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (LNGS)

Quando: la presa dati è cominciata nel 2007

   

  INFOGRAFICA

  > Borexino geo

  > Borexino sole

  IMMAGINI

  

  VIDEO

> BOREXINO

> Lab Gran Sasso

 

L’esperimento

Borexino è stato progettato per studiare i neutrini, particelle neutre con massa piccolissima prodotte nella reazioni nucleari che avvengono nelle stelle, in particolare nel Sole ma anche nei decadimenti radioattivi, come quelli che hanno luogo all’interno della Terra. I neutrini interagiscono pochissimo con la materia e possono attraversare indisturbati anche tutto l’Universo; questa proprietà ne fa delle formidabili sonde per esplorare ciò che avviene in luoghi inaccessibili come l’interno del Sole e della Terra. Per osservare gli elusivi neutrini, è necessario schermare i rivelatori collocandoli in luoghi sotterranei: come ai LNGS dove le altre particelle provenienti dal cosmo sono quasi completamente assorbiti dalla roccia sovrastante (altri rivelatori per lo studio dei neutrini sono stati collocati sul fondale marino come per Nemo2, prototipo dell’esperimento Km3net). Inoltre è necessario ridurre al minimo la radioattività naturale presente nella roccia e in tutti i materiali, sia radio-purificando l’ambiente che le emissioni radioattive.

 

Come è fatto

L’esperimento visto dall’esterno appare come una cupola di sedici metri di diametro al cui interno si trova una sorta di “matrioska”. La cupola contiene 2400 tonnellate di acqua altamente radio-purificata, che serve come primo schermo per le emissioni radioattive ambientali e come rivelatore per le poche radiazioni emesse dai contaminanti. All’interno del volume d’acqua si trova una sfera di acciaio dentro cui sono fissati 2200 fotomoltiplicatori, occhi elettronici che registrano l’emissione di lampi di luce, anche debolissimi, provocati dai neutrini quando interagiscono nel cuore del rivelatore. Questa sfera contiene mille tonnellate di pseudocumene, un idrocarburo utilizzato per schermare la parte sensibile del rivelatore. Infine, il cuore ultimo di Borexino contiene, dentro una sfera di nylon, 300 tonnellate di liquido scintillante. Il funzionamento assomiglia a quello di un vecchio flipper: quando i neutrini si “scontrano” con gli elettroni dello scintillatore trasferiscono loro parte della propria energia, provocando un’ emissione luminosa da parte delle molecole del liquido. Questi lampi vengono visti dai fotomoltiplicatori grazie alla trasparenza del liquido interno alla sfera. L’apparato consente di misurare l’energia e la posizione degli urti provocati dai neutrini incidenti.

 

Obiettivi scientifici

Borexino è l’unico esperimento al mondo capace di misurare le interazioni di neutrini di bassissima energia. Il suo scopo primario è quello di rivelare tutti i flussi di neutrini prodotti nel Sole dalle varie reazioni nucleari, nell’intervallo di energia, da 0,250 a 16 MeV. L’obbiettivo scientifico è duplice: la fisica solare e la fisica del neutrino. Per quanto riguarda la prima la misura dei flussi e dell’energia dei neutrini solari permette di risalire alle reazioni termonucleari che avvengono nel Sole ed alla loro intensità. La fisica del neutrino studia invece le caratteristiche di questa particella. Dei neutrini sappiamo che ne esistono tre tipi: elettronico, muonico e del tau, associati rispettivamente all’emissione di un elettrone, di un muone e di una particella tau nei decadimenti deboli. I neutrini possono trasformarsi da un tipo in un altro, grazie a un fenomeno detto oscillazione. L’esistenza di questo fenomeno porta con sé necessariamente che il neutrino non possa avere massa nulla, come si pensava un tempo, anche se la sua massa è molto piccola. Queste scoperte hanno aperto una nuova era nella fisica del neutrino e hanno cambiato molte delle teorie riguardanti la costituzione elementare della materia. Borexino ha già misurato i flussi e l’energia di tre reazioni termonucleari nel Sole. L’esperimento ha anche rivelato gli antineutrini (le antiparticelle del neutrino) provenienti dall’interno della Terra, a cui si è dato il nome di geoneutrini. Queste leggerissime particelle ci dicono che migliaia di chilometri sotto la crosta terrestre elementi radioattivi come l’uranio, il torio e il potassio, si trasmutano (decadono) e producono enormi quantità di quel calore che muove i continenti, scioglie le rocce e le trasforma in magma e lava per vulcani. Studiare i geoneutrini è l’unico modo per capire cosa avviene nelle profondità della Terra. Nei prossimi 3-4 anni l’obbiettivo di Borexino sarà duplice: misurare i flussi non ancora misurati delle reazioni termonucleari agenti nel Sole ed aumentare la statistica dei geoneutrini per misurare quanto calore terrestre possa essere dovuto ai decadimenti radioattivi.

 

Tecnologia

Per poter studiare i neutrini di bassissima energia i ricercatori hanno dovuto assicurarsi che la radioattività degli strumenti fosse molto più bassa di quella normalmente esistente in natura e hanno sviluppato, con una ricerca durata 5 anni, nuove tecnologie con livelli di bassa radioattività mai raggiunti prima. Il successo più che positivo di queste ricerche ha reso possibile l’esperimento e in particolare la sua capacità di misurare interazioni di neutrini a bassissima energia. Per fare un esempio, il radon (gas radioattivo presente nell’atmosfera nella misura di 20 decadimenti al metro cubo e al secondo, e negli ambienti chiusi anche di 100 decadimenti per metro cubo e al secondo) è ridotto in Borexino a un milionesimo di decadimento per metro cubo e al secondo.

 

Partecipanti/ collaborazione

L’esperimento Borexino è un progetto internazionale a leadership italiana. L’esperimento, a cui lavorano circa 80 persone tra fisici, ingegneri e tecnici, ha avuto come maggiore finanziatore l’INFN, con importanti contributi da Stati Uniti e Germania. All’esperimento prendono parte le sezioni INFN e le Università di Milano, Genova, Perugia, i Laboratori del Gran Sasso, la Technische Universität di Monaco, il Max Planck Institut di Heidelberg, l’APC francese, la Jagellonian University di Cracovia, il JINR di Dubna e il Kurchatov Institute di Mosca e infine gli statunitensi della Princeton University, del Virginia Polytechnic Institute e dell’Università del Massachusset.