Upgrade of NaI(Tl) crystal encapsulation for the NEON experiment

La danza spettrale dei neutrini

Immaginate che l'universo sia pieno di un demente sciame di particelle chiamate neutrini. Queste particelle sono le estreme introverse: non hanno carica elettrica e quasi nessuna massa, il che significa che possono sfrecciare attraverso interi pianeti, stelle e persino il vostro stesso corpo senza mai urtare un singolo atomo. Per decenni, gli scienziati sapevano che questi fantasmi esistevano, ma catturarli era come cercare di fotografare un'ombra in un uragano. Nel 2017, un team è finalmente riuscito a intravedere la loro interazione con la materia in un modo specifico chiamato "diffusione coerente elastica neutrino-nucleo" (CEνNS). Pensatelo come una pallina da ping-pong che colpisce una palla da bowling: la palla da bowling si muove appena, ma oscilla. Rilevare quella minuscola oscillazione è incredibilmente difficile, ma se ci riusciamo, ci aiuta a comprendere le regole fondamentali dell'universo, come le stelle esplodono e persino come tenere d'occhio le centrali nucleari da distanza.

Per catturare queste oscillazioni, gli scienziati hanno bisogno di rilevatori che siano super-sensibili e super-silenziosi. Utilizzano cristalli che brillano quando vengono colpiti dall'energia, circondati da un liquido che funge da scudo contro il rumore di fondo. Tuttavia, proprio come una fotocamera hi-tech, questi rilevatori sono validi solo quanto il loro involucro. Se l'involucro perde o si sporca, il segnale si perde nel fruscio. Questa è la storia dell'esperimento NEON, un team di scienziati che sta cercando di costruire il "cacciatore di fantasmi" perfetto usando un reattore nucleare come la loro torcia.

La tuta che perde e la nuova armatura

L'esperimento NEON, situato nella centrale nucleare di Hanbit in Corea del Sud, si è posto l'obiettivo di rilevare quelle minuscole oscillazioni utilizzando un tipo speciale di cristallo chiamato NaI(Tl). Alla fine del 2020, hanno installato 13,3 chilogrammi di questi cristalli, che sono stati immersi in un bagno di scintillatore liquido (un liquido luminoso) per aiutare a bloccare il rumore indesiderato. Il piano era semplice: lasciare che gli anti-neutrini del reattore colpissero i cristalli, osservarli brillare e contare la luce.

Ma le cose non sono andate secondo i piani. Durante il primo anno di test, il team ha notato due problemi principali. Primo, i cristalli hanno iniziato a diventare più opachi nel tempo. Secondo, i rilevatori stavano captando segnali strani e rumorosi che sembravano l'interferenza di una radio. Dopo un lavoro da detective, hanno capito che il colpevole era la "tuta" che i cristalli indossavano. Il design originale aveva un piccolo difetto: la base dei tubi sensibili alla luce (fotomoltiplicatori) era esposta allo scintillatore liquido. Poiché i colli di vetro di questi tubi non erano perfettamente sagomati e il sigillo non era abbastanza stretto, il liquido filtrava lentamente all'interno.

Immaginate di indossare un impermeabile che ha un piccolo buco nella cerniera. All'inizio potreste non accorgervene, ma dopo alcune ore di pioggia, l'interno si bagna, i vostri vestiti diventano inzuppati e non riuscite più a muovervi correttamente. È quello che è successo ai cristalli. Lo scintillatore liquido è filtrato all'interno, si è depositato sulla superficie del cristallo e ha persino creato minuscole macchie bianche a causa dell'umidità. Questa "umidità" ha bloccato la luce, causando la perdita di luminosità (resa luminosa) dei cristalli e creando quel fastidioso rumore di fondo. Il team si è reso conto che se non avessero sistemato la tuta, non avrebbero mai catturato i fantasmi.

L'aggiornamento: Una fortezza di rame

Nell'aprile 2022, il team NEON ha deciso di aggiornare la propria attrezzatura. Hanno smontato i rilevatori in una stanza super-pulita (una glovebox) dove l'aria era così secca da essere quasi priva di acqua. Hanno pulito i cristalli con alcol, li hanno lucidati finché non sono diventati lucidi e li hanno avvolti in speciali fogli di Teflon per far rimbalzare la luce in modo efficiente.

Poi, hanno costruito una nuova "armatura". Inveve di limitarsi a sigillare i tubi in modo lasso, hanno inserito il cristallo e i suoi sensori di luce all'interno di un solido contenitore di rame. Questo contenitore è stato progettato come una pentola a pressione ultra-resistente. Hanno utilizzato speciali guarnizioni in gomma (O-ring) e hanno stretto bulloni in acciaio inossidabile con una chiave dinamometrica per garantire che il sigillo fosse perfetto. Soprattutto, hanno utilizzato speciali pressacavi impermeabili per i cavi che escono dal contenitore, assicurando che né lo scintillatore liquido né l'aria esterna potessero mai infiltrarsi di nuovo.

Hanno anche sostituito due dei cristalli più piccoli con altri più grandi, portando il peso totale del rilevatore a 16,7 kg. Al momento del riavvio del sistema nell'aprile 2022, il nuovo design era pronto per il suo debutto.

I risultati: Luminoso, silenzioso e stabile

I risultati dell'aggiornamento sono stati immediati e impressionanti. Per oltre un anno, i nuovi rilevatori sono stati attivi senza un singolo intoppo. Il rumore statico strano che aveva tormentato il vecchio sistema è scomparso completamente. Ancora più importante, i cristalli sono rimasti brillanti. Nel primo anno di funzionamento, l'output luminoso è rimasto costante, dimostrando che la nuova fortezza di rame ha mantenuto con successo l'esterno fuori dal sistema.

Il team ha misurato quanta luce producevano i cristalli per ogni unità di energia ricevuta. Hanno scoperto che i cristalli erano incredibilmente efficienti, producendo tra i 21,8 e i 25,6 "fotoelettroni" (minuscoli lampi di luce) per ogni 1 keV di energia. Questo è un enorme miglioramento ed è esattamente ciò di cui avevano bisogno per vedere la debole oscillazione di un neutrino. I dati hanno mostrato che la resa luminosa non è diminuita nel tempo, confermando che il nuovo design di incapsulamento era stabile ed efficace.

Perché questo è importante

Questo articolo non dice solo "abbiamo riparato una perdita". Dimostra che, con un design migliore, possiamo costruire rilevatori abbastanza stabili da catturare le particelle più elusive dell'universo. Il team NEON ha dimostrato che, sigillando i cristalli in un contenitore di rame e mantenendo fuori lo scintillatore liquido, è possibile mantenere alte prestazioni per oltre un anno. Questo successo suggerisce che l'esperimento NEON è ora pronto per iniziare la sua missione principale: dare la caccia a quelle elusive oscillazioni dei neutrini. Inoltre, questa tecnica della "armatura di rame" è così promettente che altri esperimenti, come COSINE-100, stanno già pianificando di utilizzare aggiornamenti simili per migliorare le proprie ricerche sulla materia oscura e sui neutrini. I cacciatori di fantasmi hanno finalmente trovato una tuta che li tiene asciutti.