Colaboratorii Fermilab au inaugurat lucrările la un nou fascicul de accelerare în cel mai avansat experiment de neutrini din lume

În cadrul unei ceremonii care a avut loc pe 14 noiembrie 2019, Fermi National Accelerator Laboratory din SUA, împreună cu partenerii săi internaționali, au inaugurat lucrările pentru un nou fascicul de accelerare care va ajuta cercetătorii să afle mai multe despre particulele fantomatice denumite neutrini.

Noul fascicul este parte din Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), care va găzdui Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), un proiect internațional conceput pentru a dezvolta celui mai avansat experiment din lume în studierea neutrinilor.

Găzduit de Fermilab, LBNF va emite o mie de miliarde de neutrini, pe distanța de 1,300 kilometri (800 mile) trecând prin crusta terestră, către South Dakota – un traseu pentru care nu este nevoie de un tunel, deoarece neutrinii nu sunt opriți decât foarte rar de materie. Pe această traiectorie, neutrinii vor trece prin doi detectori de particule DUNE, din care unul este situat la Fermilab, iar cealălalt la o milă distanță în interiorul pământului, la Sanford Underground Research Facility din South Dakota.

DUNE este un experiment internațional, care aduce împreună peste 1.000 cercetători din 175 de instituții aflate în 30 de țări din lume. Universitatea din București participă la experiment prin Facultatea de Fizică.

Prof. univ. dr. Ionel Lazanu, prof. univ. dr. Alexandru Jipa, lect. univ. dr. Marius Călin, drd. Mihaela Pârvu și drd. Ana Chiriacescu sunt implicați în activităţi de simulare a interacţiilor neutrinilor cu nucleele de argon, contribuie la clarificarea mecanismelor fizice care au loc în evoluţia supernovelor, cât şi în probleme legate de fondul radioactiv natural şi indus în sistemul de detecţie. Aceștia au participat la montarea și testarea unor componente ale părţii electrice a unui detector de neutrini și contribuie la testarea acestuia, la achiziţia și analiza de date.

Echipa Facultății de Fizică a Universității din București a început activitatea instituţionalizată de cercetare în domeniul fizicii neutrinilor în 2008, când a fost admisă în programul FP7 LAGUNA continuat în 2011 cu FP7 LAGUNA/LAGUNA-LBNO – Design of a pan-European infrastructure for Large Apparatus for Grand Unification, Neutrino Astrophysics, and Long Baseline Neutrino Oscillations. Proiectul a implicat aproximativ 40 de beneficiari, compus din instituții academice din Bulgaria, Danemarca, Finlanda, Franța, Germania, Polonia, România, Spania, Elveția, Regatul Unit, Rusia, Japonia şi CERN, precum și parteneri industriali specializați în domeniul inginerie mecanică civilă și mecanica rocilor. Cu această ocazie a fost evaluată fezabilitatea mai multor locaţii posibile pentru noua generație de experimente subterane în Europa. Datorită acestor două colaborări, Laboratorul subteran de măsurări în fond radioactiv ultrascăzut din Mina Slănic – Prahova al Institutului de Fizică şi Inginerie Nucleară – Horia Hulubei, la care Universitatea din București este partener, a fost inclus între facilităţile europene apte să găzduiască experimente subterane de astrofizică. Ulterior, Universitatea din București a fost acceptată în colaborarea WA-105 de la CERN – Elveția, actualmente devenită NP-02/ProtoDUNE-DP.

La Fermilab echipele vor construi un nou beamline care va extrage particulele de protoni din cel mai mare accelerator al Fermilab, Main Injector (Injectorul Principal), și le va direcționa către detectorul DUNE din South Dakota. Conform proiectului, echipele vor excava o alveolă subterană la unitatea Fermilab în care se va afla o încăpere specială, unde protonii se vor lovi de o țintă pentru a crea particule mai mici, o zonă de colapsare, în care fasciculul se filtrează până rămân aproape numai neutrini, și un detector sofisticat de particule. Acesta din urmă va descrie fasciculul astfel încât cercetătorii să știe exact ce trimit în South Dakota și să poată anticipa ce vor obține în punctul de recepție.

După implementare, LBNF/DUNE va fi cel mai avansat experiment de neutrini care a fost vreodată construit și unul dintre cele mai mari experimente construite vreodată în Statele Unite. Se preconizează că  LBNF va genera, la capacitate maximă, aproximativ 2.000 de locuri de muncă în Illinois, și tot cam atâtea locuri de muncă în South Dakota. Experimentul va atrage studenți și tineri cercetători din toată lumea, contribuind la formarea următoarei generații de cercetători și ingineri.

Cercetătorii de la DUNE vor studia interacțiunile neutrinilor din cele două detectoare, încercând să înțeleagă cât mai bine modificările prin care trec aceste particule aproape într-o clipă, în traiectoria lor spre Vestul Mijlociu. Cercetătorii știu de mai mult timp că neutrinii sunt de trei tipuri. Unul dintre cele mai surprinzătoare lucruri cunoscute despre neutrini este că se modifică în toate cele trei tipuri existente, la parcurgerea de distanțe lungi, iar DUNE ne va ajuta să înțelegem mai bine cum se produce acest fenomen.

Cercetătorii de la DUNE se vor uita și la modificările comportamentale ale neutrinilor și particulelor omoloage de antimaterie, antineutrinii, ceea ce ar putea aduce indicii pentru a înțelege de ce universul vizibil este dominat de materie. DUNE va urmări și neutrinii produși în explozia stelelor, ceea ce ar putea arăta modul de formare a stelelor neutronice și a găurilor negre. De asemenea, DUNE va investiga dacă protonii trăiesc veșnic sau se dezintegrează, aducându-ne astfel mai aproape de împlinirea visului lui Einstein, acela al unei mari teorii unificate a Universului.