Conferenza su Neutrino Physics and Beyond, Shenzhen, Cina.

- di Roberto Battiston - Il mese scorso sono andato a questa conferenza, invitato da un amico cinese che è stato negli anni ‘90 studente nell’ esperimento al CERN in cui io ero responsabile di parte del programma sperimentale e che ora dirige il più importante laboratorio di fisica delle particelle della Cina, l’ Istituto di Fisica delle Alte Energie (IHEP) di Pechino.

Il mio giovane amico cinese, il cui cognome, Wang, lo rende per noi indistinguibile da milioni di omonimi suoi connazionali, è anche responsabile dell’ esperimento Daya Bay, un esperimento sino-americano per la misura delle oscillazioni dei neutrini. All’inizio del 2011 questo esperimento ha stabilto per la prima volta che un parametro fondamentale della matrice di mescolamento tra gli stati di neutrino, l’angolo che mescola il primo con il terzo neutrino, chiamato theta13, è dell’ ordine di 0.1, un valore ritenuto “grande” e da cui si possono derivare delle importanti indicazioni sulle proprietà dei neutrini e sulla futura sperimentazione in questo campo. Si tratta del primo risultato di rilevanza mondiale ottenuto dalla Cina nel settore della fisica delle particelle, uno dei settori più avanzati della ricerca fondamentale dove ci aspetteremmo di non venire ancora superati da una nazione che ha enormi potenzialità ma si è affacciata solo da poco sul contesto internazionale della scienza e tecnologia. Probabilmente dobbiamo rivedere queste nostre aspettative.

Grazie a questa scoperta, Yifang Wang è diventato un personaggio molto importante nel suo paese: adesso sta progettando un esperimento 10 volte più grande, del costo di 200 milioni di dollari che molto probabilmente il suo governo gli darà, avendo lui dimostrato di sapere gestire bene le risorse di cui è stato responsabile. Una volta le cose andavano così anche da noi.

Daya Bay è il nome di una località in Cina, una amena insenatura che durante la crisi del governo cinese dell’ inizio del secolo scorso, diventò per un periodo sede di commerci illegali e di bande di pirati. Oggi ospita 6 reattori nucleari di modello francese, i cui anti-neutrini elettrone sono usati per l’esperimento sulle oscillazioni di cui sopra.

Rapido ripasso di fisica nucleare. Nelle reazioni nucleari di fissione del nucleo atomico, c’è una grande quantità di neutroni che diventano protoni tramite diversi tipi di reazioni intermedie. Ricordiamo che la massa del neutrone è un pò più grande di quella del protone, per cui un neutrone lasciato a se stesso decade in un protone dopo circa 6 minuti (un tempo lunghissimo per una particella elementare). Si tratta del decadimento nucleare di tipo beta, in cui il neutrone diventa un protone+un elettrone+un antineutrino elettronico: si conserva la carica elettrica (un protone positivo e un elettrone negativo fanno zero come il neutrone di partenza), si conserva però anche il numero leptonico (un leptone, l’elettrone, e un antileptone, l’antineutrino, fanno zero, come era il numero leptonico di partenza: il neutrone infatti è un adrone).

All’interno dei nuclei atomici, per effetti relativistici parte della massa si trasforma in energia di legame per cui il neutrone diventa stabile (tranne nei casi degli isotopi radioattivi, appunto), e i nostri neutroni non provano più lo struggente desiderio di diventare il loro fratello minore con carica elettrica positiva, il protone. Questo non è vero per gli isotopi instabili dell’ uranio, in particolare per l’ Uranio235, che sono nuclearmente “fragili” e possono rompersi (fissione) producendo particelle energetiche, frammenti nucleari, un bel po’ di antineutrini e di elettroni. Mentre tutte le particelle cariche si fermano nel nocciolo del reattore, scaldandolo, i neutroni vengono termalizzati e fermati negli schermi posti intorno al nocciolo mentre i neutrini si irradiano in tutte le direzioni senza che nulla li possa fermare e sono usati, talvolta, per effettuare gli esperimenti di cui stiamo parlando.

La potenza complessiva dell’ impianto di Daya Bay è di quasi 4 Gigawatt,  qualcosa come il 4% della potenza elettrica totale installata in Italia. Partendo per la Cina  non mi rendevo bene  conto di dove si trovasse Daya Bay, mi avevano detto che era vicino ad  una città, ma mi immaginavo fosse un luogo isolato. Alla faccia! Si trova a circa 100 km dalla città di Shenzhen (13 milioni di abitanti) , che a sua volta è attaccata ad Hong Kong (7 milioni) e a Canton (Guangzhou, 13 milioni). Insomma siamo nel cuore della Cina produttiva, quella dei distretti speciali che corrono e trainano tutto il resto dell’ economia.

Se qualcuno si ponesse la domanda relativamente al pericolo dovuto alla presenza di questi reattori vicino ad un luogo così densamente popolato, faccio notare che questa centrale ha il record di qualità e di sicurezza in Cina ed è la seconda al mondo dopo una analoga centrale francese.

Il secondo giorno ci hanno portato a visitare l’impianto di Daya Bay e l’esperimento sotterraneo, circa 1 km sotto la montagna verso l’interno della costa. L’impianto è formato da tre coppie di reattori, circondati da palazzine e uffici. Un fiume di acqua (calda) corre  verso la costa per scaricare  il calore di scarto della centrale  nell’immenso pozzo termico rappresentato dal mare.

L’esperimento sull’ oscillazione dei neutrini  è stato progettato da una collaborazione internazionale sino-americana. La galleria e le caverne sotterranee per ospitarlo non esistevano: sono state realizzate in tempo record  (meno di tre  anni) dalla compagnia che gestisce l’impianto nucleare,  ottimo esempio di coordinamento tra diverse parti del sistema cinese.  Nel frattempo il team scientifico ha realizzato un laboratorio  in un capannone posto all’ingresso della galleria in costruzione ed ha realizzato al suo interno i grandi contenitori pieni di liquido scintillante ultra puro su cui è basata la rivelazione degli antineutrini.   Si tratta di enormi doppi contenitori di plexiglas, quasi invisibili quanto sono trasparenti, riempiti da un liquido che è perfettamente trasparente alla luce ultravioletta Cerenkov che viene emessa quando un antineutrino, interagendo con gli atomi del liquido, produce uno sciame di particelle relativistiche (tipicamente elettroni e positroni) che emettono appunto questo tipo di luce.

Appena la galleria e le sale sperimentali sono state completate, i rivelatori di plexiglas, posti all’interno di contenitori di acciaio a tenuta, sono stati trasportati ed installati all’interno di piscine scavate nella roccia, riempiti di scintillatore liquido e ricoperti d’acqua.

L’acqua rappresenta a sua volta un rivelatore di particelle utilizzato per “vietare” particelle cariche che arrivino dall’esterno: la luce Cerenkov emessa nell’ acqua dai pochi muoni cosmici che riescono a penetrare la montagna viene rivelata da un sistema di fotomoltiplicatori (immersi in acqua) ed utilizzata nell’ analisi per eliminare questi eventi di fondo.

Il montaggio dei rivelatori ha richiesto meno di un anno e in questo modo, in tempo record, l’esperimento ha iniziato subito a prendere dati, riuscendo a battere la concorrenza (giapponese e coreana) impegnata in esperimenti analoghi.

Un eccellente dimostrazione di capacità, organizzazione, tempismo e strategia da parte una Cina che si dimostra in grado di collaborare a livello internazionale su progetti di punta.

Il futuro rivelatore Daya Bay 2 si presenta molto più complesso da realizzare. I rivelatori a liquido sono molto più grandi. Saranno necessari ad esempio migliaia e migliaia di fotomoltiplicatori con caratteristiche di sensibilità molto migliori di quelli attuali, nonchè liquidi scintillanti ancora più puri e trasparenti. I gruppi italiani dei Laboratori del Gran Sasso dell’ INFN hanno competenze eccezionali in questo settore, per cui Cina ed Italia hanno iniziato a collaborare alle fasi iniziale di questo progetto.

I Cinesi considerano le tecnologie dei rivelatori di luce ultrasensibili così strategiche che hanno acquistato negli ultimi anni una ditta europea esperta in questo settore ma in difficoltà economiche, e stanno installando un impianto produttivo in Cina per fare fronte alle necessità del mercato interno nonchè sviluppare nuovi e più potenti fotomoltiplicatori. In questo settore il monopolio mondiale è dell’ Hamamatsu (Giappone), a fronte di un mercato che vale più di un miliardo di dollari all’anno ed è in continua crescita.

Risulta chiaro l’ interesse degli investitori cinesi relativamente all’ingresso in questo mercato. Le necessità degli scienziati interessati alla nuova generazione di esperimenti sul neutrino rappresentano un fattore di traino tecnologico eccezionale per questi investimenti. Il governo cinese nel finanziare la sperimentazione in questo settore della fisica fondamentale di fatto sta contribuendo ad un progetto strategico per l’economia dell’intero paese.

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