Completato il riempimento con scintillatore, l’esperimento JUNO inizia l’acquisizione dati

Il 26 agosto l’esperimento JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), un grande osservatorio sotterraneo per neutrini nella Cina sudorientale, alla cui realizzazione collabora anche l’INFN, ha completato il riempimento delle 20.000 tonnellate di scintillatore liquido, che ne costituiscono il nucleo operativo, avviando anche la presa dati. Nel novero dei nuovi esperimenti di neutrini di larga scala e ultima generazione, JUNO è il primo ad arrivare con successo al termine della costruzione. Le operazioni iniziali e le analisi preliminari mostrano che le specifiche chiave delle prestazioni del rivelatore sono state pienamente soddisfatte e in alcuni casi superate. Questo consentirà all’esperimento di sciogliere uno dei dilemmi attualmente più pressanti della fisica del neutrino: sfruttando le caratteristiche dell’ormai conosciuto fenomeno delle oscillazioni di neutrino, JUNO chiarirà qual è l’ordinamento delle masse, ovvero se il terzo tipo di neutrino è più o meno pesante degli altri due.

“La componente elettronica di JUNO, sviluppata grazie ad una collaborazione diretta tra la Sezione INFN di Padova e il laboratorio IHEP di Pechino, segue un disegno completamente innovativo rispetto agli esperimenti delle precedenti generazioni. Infatti, è stata installata direttamente dentro l’acqua all’interno della struttura metallica che sostiene il rivelatore al fine di diminuire i rumori elettronici nei segnali registrati e di aumentare la sensibilità del rivelatore”, spiega Alberto Garfagnini, responsabile per l’elettronica dell’esperimento, docente presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova e ricercatore associato all’INFN. “Questo ha richiesto uno sforzo particolare, sia in fase di progettazione e scelta dei componenti che durante la produzione di massa e l’installazione, dato che in caso di malfunzionamento l’elettronica non potrà essere riparata nè sostituita dal momento che non è più accessibile”. Uno dei test di verifica delle prestazioni dell’elettronica di JUNO prima della sua produzione e installazione nell’esperimento era stato condotto proprio a Montegrotto, vicino a Padova.

Situato a 700 metri di profondità, nel sottosuolo vicino alla città di Jiangmen, nella provincia del Guangdong, JUNO osserva i neutrini prodotti dalle centrali nucleari di Taishan e Yangjiang, distanti 53 chilometri, misurando con precisione il loro spettro energetico. Rispetto ad altri esperimenti simili, la determinazione dell’ordinamento delle masse da parte di JUNO è indipendente dagli effetti di materia all’interno della Terra ed è in gran parte libera da degenerazioni dei parametri. JUNO offrirà inoltre miglioramenti di un ordine di grandezza nella precisione di diversi parametri delle oscillazioni dei neutrini e consentirà studi all’avanguardia sui neutrini provenienti dal Sole, dalle supernove, dall’atmosfera e dalla Terra e aprirà nuove prospettive per esplorare fisica ancora sconosciuta, incluse le ricerche di neutrini sterili e del decadimento del protone.

“Grazie all’immenso sforzo della Collaborazione scientifica per riempire e mettere a punto l’esperimento, non appena l’ultima goccia di scintillatore è entrata nell’apparato, JUNO ha iniziato la sua avventura verso i molti obiettivi di fisica che caratterizzano il suo programma, a partire dall’ordinamento delle masse dei neutrini”, sottolinea Gioacchino Ranucci, viceresponsabile internazionale della Collaborazione, alla guida del gruppo italiano e coordinatore dei gruppi europei in JUNO. “Il gruppo dell’INFN ha contribuito in modo decisivo alle promettenti prestazioni emerse durante la messa a punto dell’apparato: un contributo che abbraccia, oltre alla cruciale purificazione dello scintillatore, la realizzazione di importanti parti dell’elettronica, il controllo e la minimizzazione dei fondi radioattivi e il computing. L’impegno del nostro gruppo adesso procederà anche nell’analisi dei dati, in cui siamo già attivamente coinvolti”.

La vita scientifica di JUNO si estenderà per almeno 30 anni, con un possibile potenziamento dell’apparato successivo alla misura di ordinamento di massa.

JUNO è un progetto con elevato grado di internazionalizzazione, gestito in Cina dall’Istituto IHEP con cui l’INFN vanta una lunga tradizione di cooperazione, e che coinvolge più di 700 ricercatori e ricercatrici provenienti da 74 Istituzioni in 17 paesi e regioni. L’INFN vi partecipa con le sezioni di Catania, Ferrara, Milano, Milano Bicocca, Padova, Perugia, Roma Tre e con i Laboratori Nazionali di Frascati. La collaborazione Sezione INFN di Padova e il laboratorio IHEP di Pechino per lo sviluppo dell’elettronica è stata riconosciuta tra i progetti di Grande Rilevanza dai Ministero degli Affari Esteri e della Collaborazione Internazionale (MAECI) e congiuntamente dalla National Natural Science Foundations (NNFS) nel periodo 2018-2020, sostenendo la mobilità dei ricercatori italiani e cinesi durante la fase di validazione dei prototipi e di definizione del disegno finale.

Caratteristiche dell’apparato sperimentale. Il cuore dell’esperimento JUNO è un contenitore di acrilico di 35,4 m di diametro contenente una massa efficace di 20.000 tonnellate di scintillatore liquido, situato al centro di una piscina d’acqua profonda 44 metri all’interno di una sala sperimentale sotterranea. L’acrilico è supportato da un guscio reticolato di acciaio inossidabile di 41,1 metri di diametro, che inoltre alloggia 20.000 tubi fotomoltiplicatori (PMT) da 20 pollici, 25.600 PMT da 3 pollici, insieme al resto della componentistica che comprende l’elettronica di front-end, i cavi, le bobine per la compensazione del campo magnetico terrestre, e pannelli separatori di luce. Tutti i PMT lavorano simultaneamente per catturare la luce di scintillazione prodotta dalle interazioni dei neutrini all’interno dello scintillatore e convertirla in segnali elettrici. Durante la costruzione, sono stati ottenuti numerosi traguardi senza precedenti, come un PMT ad alte prestazioni caratterizzato da un design innovativo, sia per la struttura sia per l’amplificazione elettronica. Tra le altre conquiste tecnologiche si annoverano la realizzazione una copertura a prova di esplosione e impermeabile per proteggere i PMT; il già menzionato sistema di purificazione ad alta efficienza che produce scintillatore radiopuro con una lunghezza di attenuazione della luce superiore a 20 metri; un’innovativa elettronica sottomarina, con un’affidabilità di grado aerospaziale ottenuta utilizzando componenti disponibili commercialmente.