Un esperimento condotto presso la centrale nucleare di Leibstadt, in Svizzera, ha dimostrato l’efficacia di un rilevatore di neutrini incredibilmente compatto. Mentre i dispositivi tradizionali richiedono strutture imponenti e tonnellate di materiale, questa innovativa tecnologia ha una massa inferiore a 3 chilogrammi.
Nonostante le dimensioni ridotte, il rilevatore ha identificato con successo gli antineutrini, particelle subatomiche di antimateria, provenienti dal reattore nucleare svizzero. I risultati della ricerca, pubblicati il 9 gennaio su arXiv.org, segnano un traguardo epocale nella fisica sperimentale.
Un’impresa attesa da decenni
Secondo Kate Scholberg, fisica dei neutrini presso la Duke University, questo progresso rappresenta un risultato straordinario: “Le persone hanno cercato di ottenere questo risultato per molti decenni e ora ci sono finalmente riuscite”.
Esperimenti precedenti avevano già permesso di osservare neutrini e antineutrini prodotti in laboratorio, ma i reattori nucleari, che generano antineutrini a bassa energia, presentano sfide particolari. Un rilevatore di dimensioni contenute, capace di misurare questi fenomeni, potrebbe fornire nuovi strumenti per testare teorie fisiche, studiare il comportamento dei nuclei atomici e persino monitorare il funzionamento dei reattori per prevenire attività illecite legate allo sviluppo di armi nucleari.
Perché i neutrini sono così difficili da rilevare?
I neutrini sono notoriamente sfuggenti. Attraversano la materia quasi senza interagire, il che rende necessario l’uso di rilevatori enormi, capaci di aumentare le probabilità di cattura. Tuttavia, un particolare tipo di interazione, in cui un neutrino o un antineutrino rimbalza su un nucleo atomico, può essere osservata con strumenti molto più piccoli, purché questi siano estremamente sensibili.
L’idea è simile a quella di percepire il movimento di una palla da bowling colpita da una pallina da ping-pong. L’effetto, previsto da tempo, è stato osservato per la prima volta nel 2017 in esperimenti di laboratorio.
Il nuovo esperimento alla centrale di Leibstadt
Nello studio appena condotto, il rilevatore di germanio ha registrato circa 400 antineutrini in 119 giorni di osservazione. Il numero rilevato è in perfetto accordo con le previsioni del Modello Standard della fisica delle particelle, consolidando ulteriormente questa teoria.
Il rilevatore era circondato da spessi strati di piombo e polietilene, necessari per schermarlo da altre particelle subatomiche che avrebbero potuto falsare i dati. Strutture aggiuntive sono state utilizzate per identificare eventuali interferenze che avrebbero potuto essere confuse con gli antineutrini.
L’interazione tra neutrini e nuclei atomici avviene in modo estremamente pulito e privo di distorsioni, poiché l’energia degli antineutrini del reattore è talmente bassa da non influenzare la struttura interna del nucleo. Questo aspetto potrebbe rendere le misurazioni particolarmente adatte per rilevare nuove proprietà delle particelle e persino scoprire fenomeni fisici ancora sconosciuti, come effetti magnetici inattesi nei neutrini o la presenza di particelle esotiche.
Implicazioni per la fisica delle particelle
Il fisico Christian Buck, del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg e coautore dello studio, ha sottolineato l’importanza di questa scoperta: “Questo apre un nuovo canale nella fisica dei neutrini. Potrebbe esserci una nuova fisica in quel canale che non conosciamo ancora”.
Altri gruppi di ricerca hanno già iniziato ad analizzare i dati raccolti, come dimostrano due recenti studi pubblicati su arXiv.org il 17 e il 21 gennaio.
In passato, interazioni simili erano state osservate nei neutrini solari, utilizzando grandi rilevatori progettati per lo studio della materia oscura. Tuttavia, il nuovo esperimento rappresenta la prima conferma inequivocabile di questo effetto in un reattore nucleare, smentendo un precedente studio del 2022 che aveva riportato risultati non del tutto coerenti con le teorie accettate.
Applicazioni nel monitoraggio nucleare
Oltre alla ricerca fondamentale, questa tecnologia potrebbe avere applicazioni pratiche significative. Gli antineutrini emessi dai reattori nucleari offrono una firma unica che permette di monitorare il tipo di combustibile utilizzato e le sue trasformazioni. Ad esempio, le energie degli antineutrini possono indicare la quantità di plutonio presente in un reattore, una variabile fondamentale per la non proliferazione nucleare.
Tuttavia, questa tecnica presenta ancora delle limitazioni. Per essere efficace su larga scala, il rilevatore dovrebbe operare a maggiore distanza dalla fonte e migliorare la sua capacità di determinare con precisione l’energia degli antineutrini. Inoltre, nonostante le dimensioni ridotte del sensore, il sistema di protezione dalle interferenze richiede una schermatura ingombrante, limitandone la portabilità.
Un primo passo verso il futuro
Secondo Jonathan Link, fisico dei neutrini presso il Virginia Tech, “Questo è ancora un modo molto, molto difficile di fare fisica. Ma si inizia sempre con il primo passo”.
Il successo di questo esperimento segna un’importante pietra miliare nella ricerca sui neutrini, aprendo nuove prospettive sia per la comprensione della fisica fondamentale sia per lo sviluppo di strumenti innovativi per il monitoraggio nucleare.
