Muon Detection and Direction Reconstruction with the Upgraded 1-ton Water Cherenkov Prototype Detector at CJPL-I
Il prototipo del rivelatore Cherenkov ad acqua da 1 tonnellata aggiornato presso il Laboratorio Sotterraneo di China Jinping (CJPL-I) ha dimostrato un aumento del 59% nell'efficienza di rilevamento dei muoni e una riduzione del 70% nell'incertezza della ricostruzione della direzione, misurando con successo il flusso di muoni sotterranei e identificando un raro evento di muone ascendente per consentire futuri studi indotti dai neutrini.
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Profondamente sotto le montagne della provincia del Sichuan, in Cina, si trova il laboratorio sotterraneo più profondo del mondo, un luogo dove la roccia sovrastante è così spessa da bloccare quasi tutta la radiazione naturale e le particelle che piovono dallo spazio. Questa profondità immensa crea un ambiente silenzioso e buio dove gli scienziati possono ascoltare i sussurri più deboli dell'universo, come le elusive particelle chiamate neutrini, che interagiscono raramente con la materia. Per ascoltare questi sussurri, i ricercatori devono prima comprendere il rumore di fondo, che proviene principalmente dai muoni dei raggi cosmici. Questi muoni sono particelle ad alta velocità create quando i raggi cosmici colpiscono l'atmosfera; possono imitare i segnali che gli scienziati stanno cercando o creare altre particelle radioattive che sporcano i dati. Misurando esattamente quanti muoni raggiungono il fondo della miniera e da dove provengono, gli scienziati possono progettare schermi e filtri migliori per proteggere i loro esperimenti sensibili, assicurando che ciò che rilevano sia davvero una nuova scoperta e non solo un impostore cosmico.
Presso il China Jinping Underground Laboratory, un team di ricercatori ha recentemente completato un importante aggiornamento di un piccolo prototipo di rivelatore da una tonnellata progettato per studiare proprio questi muoni. Originariamente costruito per testare tecnologie per un esperimento futuro molto più grande, questo dispositivo è stato recentemente revisionato per migliorare la sua capacità di catturare e tracciare queste particelle veloci. I ricercatori hanno sostituito i vecchi sensori di luce all'interno del serbatoio con sessanta nuovi tubi altamente sensibili e hanno riprogettato la struttura interna per contenerli. Hanno poi riempito il rivelatore con acqua invece dello scintillatore liquido che utilizzava in precedenza, trasformando il serbatoio in un rivelatore Cherenkov ad acqua. In questa configurazione, quando un muone sfreccia attraverso l'acqua più velocemente di quanto la luce viaggi attraverso quella stessa acqua, crea un debole cono di luce blu, simile al boom sonico creato da un jet che rompe la barriera del suono. I nuovi sensori sono progettati per catturare questa luce, consentendo al team di contare i muoni e determinare la loro direzione con molta più precisione rispetto al passato.
Nel corso di diversi mesi, il rivelatore ha operato in due fasi distinte, prima senza uno speciale scudo schermante dalla luce e successivamente con uno installato per bloccare la luce parassita proveniente dall'acqua esterna all'area di osservazione principale. Analizzando i dati raccolti durante questi periodi, il team ha scoperto che il rivelatore aggiornato era straordinariamente efficiente. Nella seconda fase, con la nuova schermatura in posizione, il rivelatore ha identificato i muoni con un'efficienza quasi del sessanta per cento superiore rispetto alla versione precedente dell'esperimento. Il team ha calcolato che il numero di muoni che passano attraverso il rivelatore è di circa 3,55 per centimetro quadrato ogni secondo, un risultato che corrisponde perfettamente alle misurazioni precedenti effettuate nello stesso luogo utilizzando attrezzature diverse. Questo accordo conferma che la nuova tecnologia basata sull'acqua è affidabile e fornisce un prezioso controllo incrociato per la comunità scientifica.
Forse lo sviluppo più eccitante è stata la capacità del rivelatore di individuare la direzione di queste particelle. Poiché i nuovi sensori sono più numerosi e coprono una maggiore superficie del serbatoio, e poiché i ricercatori hanno sviluppato un modo più intelligente per confrontare la tempistica e la luminosità degli impatti luminosi, sono stati in grado di ricostruire la traiettoria di un muone con un'incertezza di soli sei gradi circa. Questo è un miglioramento drammatico, che riduce il margine di errore a solo il trenta per cento di quello passato. Questo livello di precisione è fondamentale perché permette agli scienziati di distinguere tra i muoni che provengono dall'alto, che sono comuni, e quelli che provengono dal basso, che sono estremamente rari.
Durante la raccolta dei dati, il team ha avvistato un singolo evento molto insolito: un muone che sembrava viaggiare verso l'alto, emergendo dalla roccia sottostante il rivelatore. Mentre i muoni dei raggi cosmici sono sempre spinti verso il basso dalla gravità e dall'atmosfera, un muone che si muove verso l'alto suggerisce che sia stato creato da un neutrino che interagisce con la roccia o l'acqua sotto il rivelatore, proiettando un muone verso l'alto attraverso il serbatoio. I ricercatori hanno controllato attentamente questo evento rispetto a tutti i possibili errori e al rumore di fondo, scoprendo che la probabilità che si trattasse di un errore o di una particella in movimento verso il basso identificata erroneamente era inferiore a una su diecimila. Questo singolo evento segna la prima volta che una tale particella indotta da neutrini viene chiaramente identificata in questo laboratorio, aprendo una nuova finestra per lo studio di queste particelle fantasma. Il successo di questo rivelatore ad acqua aggiornato dimostra che un sistema basato sull'acqua, dal costo contenuto, può misurare efficacemente i raggi cosmici e rilevare eventi di neutrini, aprendo la strada ai rivelatori più grandi e potenti previsti per il futuro.
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