MISURE E FIDATEZZA
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Rubrica a cura di L. Cristaldi, (loredana.cristaldi@polimi.it), M. Catelani, M. Lazzaroni, L. Ciani Articolo di N. Gallice 1, M. Lazzaroni 1, P. Sala 2, A. Zani 2
Photon Detection System per l’esperimento DUNE Quando l’affidabilità è un must
PHOTON DETECTION SYSTEM FOR THE DUNE EXPERIMENT Elementary particle physics experiments can be thought as complex measuring instruments. Thanks to them, we can measure the properties of elementary particles and their interactions. DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) will be in the next 20 years a world-class experiment studying neutrinos produced by a particle accelerator. It will try to address the most interesting open topics of the physics beyond the standard model (matter/antimatter asymmetry, neutrino mass hierarchy, proton decay, …). Here we will present the structure and the technologies used in DUNE experiment for particle detection, remarking the challenges inherent to the devices implemented. RIASSUNTO Gli esperimenti di fisica delle particelle elementari possono a ragione essere ritenuti dei veri e propri complessi strumenti di misura. Grazie a questi strumenti è possibile misurare le proprietà delle particelle elementari e le loro interazioni. DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) sarà il più importante esperimento di neutrini generati da un acceleratore per i prossimi 20 anni. Esso si prefigge di rispondere ai più interessanti punti aperti della fisica al di fuori del modello standard (asimmetria materia/antimateria, gerarchia di massa dei neutrini, decadimento del protone, …). In questa breve memoria si cercherà d’illustrare la struttura e le tecnologie utilizzate nell’esperimento DUNE per la rivelazione delle particelle, sottolineando le sfide e le problematiche che si possono incontrare in questo ambito.
STRUTTURA DELL’ESPERIMENTO DUNE
Il Deep Underground Neutrino Experiment [1] sarà tra i più importanti osservatori per neutrini in grado di rispondere alle domande che ancora non trovano risposta sulla natura delle particelle fondamentali e sul ruolo che giocano all’interno dell’universo. I neutrini sono particelle elementari – ossia non ulteriormente divisibili in subparticelle – e sono di tre tipi: neutrino elettronico (νe), neutrino muonico (νm), neutrino tauonico (νt). Essi sono stati postulati dal Wolfang Pauli nel 1920 e scoperti nel 1956 da Cowan e Reines; negli ultimi 60 anni hanno fatto molto discutere a causa del loro comportamento e
ricoprono un ruolo centrale nella fisica al di fuori del modello standard. Essi hanno la peculiarità di poter cambiare il loro tipo – in fisica si è soliti dire flavour – mentre viaggiano nel vuoto o attraverso la materia. Un neutrino elettronico, per esempio, può diventare un neutrino muonico νe → νm in un fenomeno noto come oscillazione dei neutrini. Queste particelle, molto elusive, in realtà ci riguardano molto da vicino. Il sole, infatti, è una grande sorgente di neutrini e una gran quantità di neutrini attraversa ognuno di noi. DUNE utilizzerà neutrini ad alta energia (3-4 GeV) per fare misure sui parametri che governano le oscillazioni. L’esperimento, mostrato in Fig. 1, è costituito da tre principali strutture [1]: l’ac-
celeratore di particelle, il Near Detector e il Far Detector. L’acceleratore di particelle viene utilizzato per energizzare pacchetti di protoni che collidono su una targhetta fissa producendo uno sciame di particelle secondarie (m, K). Queste ultime vengono convogliate all’interno di un tunnel di decadimento, dove decadono producendo neutrini, per lo più di tipo muonico. Il flusso di neutrini prodotti viene monitorato da un sistema di rivelatori basati su tecnologie di rivelazione all’Argon chiamato, appunto, Near Detector. I neutrini, successivamente, viaggiano all’interno della crosta terrestre per 1.300 km sin dove è collocato il Far Detector, che ha il compito di rivelare i neutrini che sono sopravvissuti e la loro eventuale oscillazione in altri flavour. Il rivelatore sarà formato da quattro moduli posti a 1,5 km al di sotto del livello del mare, risultando così schermato dai segnali dei raggi cosmici, che sono il fondo principale nelle misure di neutrino. I moduli del Far Detector sono delle Time Projection Chamber (TPC), ciascuna contenente Argon liquido. Questa tecnologia permette di acquisire immagini tridimensionali delle traiettorie delle particelle prodotte nell’interazione del neutrino e, attraverso complessi algoritmi di ricostruzione – alcuni basati su Machine Learning – si può inferire la natura del neutrino e il tipo d’interazione che ha compiuto. Il meccanismo di rivelazione è basato sulla capacità delle particelle cariche d’interagire con le molecole dell’Argon liquido producendo lungo la loro traiet1 Università di Milano niccolo.gallice@unimi.it massimo.lazzaroni@unimi.it 2 INF – Milano paola.sala@mi.infn.it andrea.zani@mi.infn.it
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