Measurements of the neutron background for the Colorado Underground Research Institute (CURIE)
Questo articolo presenta le prime misurazioni dirette del fondo di neutroni radiogenici e indotti da muoni presso il Colorado Underground Research Institute (CURIE), situato in un ambiente sotterraneo superficiale, caratterizzando il flusso locale di neutroni per fornire l'input quantitativo essenziale per la pianificazione di futuri esperimenti a basso fondo.
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Profondamente sotto la superficie terrestre, nascosti all'interno della roccia solida, gli scienziati costruiscono laboratori per dare la caccia ai segreti più elusivi dell'universo. Questi esperimenti cercano eventi rari, come particelle che potrebbero costituire la materia oscura o il misterioso decadimento dei nuclei atomici che potrebbe spiegare perché l'universo esista. Per vedere questi deboli segnali, gli esperimenti devono essere schermati dalla pioggia costante di raggi cosmici — particelle ad alta energia provenienti dallo spazio che bombardano l'atmosfera terrestre e creano un rumore di fondo di radiazioni. Sebbene i densi strati di roccia siano eccellenti nel fermare la maggior parte di questa radiazione, non possono fermare tutto. Un tipo specifico di radiazione, il neutrone, è particolarmente problematico perché può scivolare attraverso le pesanti schermature e mimare proprio i segnali che gli scienziati stanno cercando di individuare. Comprendere esattamente quanti di questi neutroni siano presenti in una specifica località sotterranea è quindi critico; senza questa conoscenza, i ricercatori non possono distinguere tra una vera scoperta e un falso allarme causato dall'ambiente stesso.
Un team di ricercatori ha recentemente effettuato le prime misurazioni dirette di questo fondo di neutroni presso il Colorado Underground Research Institute, una struttura situata in una vecchia miniera a Idaho Springs, Colorado. Questo sito si trova sotto circa 400 metri di roccia, una profondità sufficiente a bloccare la maggior parte dei raggi cosmici ma abbastanza superficiale da essere accessibile per testare nuove tecnologie di rilevamento. Gli scienziati hanno affrontato una doppia sfida: l'ambiente sotterraneo è pieno di due tipi molto diversi di neutroni. Il primo tipo proviene dalla radioattività naturale della roccia stessa, che emette costantemente neutroni a bassa energia. Il secondo tipo viene creato quando i pochi raggi cosmici rimasti che penetrano nella roccia si scontrano con gli atomi della roccia, creando neutroni ad alta energia. Poiché questi due tipi si comportano diversamente e richiedono strumenti diversi per essere catturati, il team ha utilizzato due rilevatori distinti per mappare il paesaggio invisibile della miniera.
Per misurare i neutroni a bassa energia prodotti dalla roccia, il team ha impiegato un dispositivo costruito su misura noto come Bonner Cylinder Spectrometer. Questo strumento consiste in un tubo centrale riempito di elio gassoso, circondato da sei cilindri di diverse dimensioni fatti di una plastica densa che funge da moderatore, rallentando i neutroni veloci in modo che possano essere rilevati. Posizionando il rilevatore in varie orientazioni e utilizzando diversi spessori di plastica, i ricercatori sono riusciti a contare quanti neutroni arrivavano a diversi livelli di energia. Hanno calibrato attentamente la loro attrezzatura utilizzando una sorgente di neutroni nota e hanno simulato il comportamento del rilevatore su computer per garantire l'accuratezza dei loro conteggi. I risultati hanno rivelato un flusso totale di neutroni a bassa energia che è dominato dalla radioattività naturale della roccia circostante. In questo ambiente, i neutroni con energie intermedie — quelli che sono stati rallentati ma non ancora fermati — costituiscono la maggior parte del fondo, rappresentando più della metà del conteggio totale. Questa scoperta conferma che, per gli esperimenti a questa profondità, la geologia locale è la fonte primaria di rumore a bassa energia.
Per i neutroni ad alta energia creati dai raggi cosmici, il team è passato a uno strumento diverso: un serbatoio di scintillatore liquido organico. Questo rilevatore funziona catturando il lampo di luce prodotto quando un neutrone veloce colpisce un atomo all'interno del liquido. Poiché questi lampi appaiono leggermente diversi a seconda che siano causati da un neutrone o da altre radiazioni comuni come i raggi gamma, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata discriminazione della forma d'impulso (pulse shape discrimination) per separarli. Hanno fatto funzionare questo rilevatore per oltre 1.400 ore, aspettando con pazienza i rari eventi ad alta energia. Dopo aver filtrato il rumore di fondo e corretto l'efficienza del rilevatore, hanno identificato 55 candidati neutroni. Questo conteggio si traduce in un flusso specifico di neutroni ad alta energia che entra nella caverna dal confine della roccia. Quando hanno confrontato questo numero misurato con le precedenti simulazioni al computer dello stesso sito, hanno scoperto che la misurazione del mondo reale era circa il 12 percento superiore alla previsione, sebbene ancora ben entro l'intervallo di incertezza. Ciò suggerisce che, sebbene i modelli siano generalmente accurati, c'è ancora spazio per perfezionare il modo in cui calcoliamo questi fondi ad alta energia.
Combinando queste due misurazioni, i ricercatori hanno creato un quadro completo dell'ambiente neutronico presso il Colorado Underground Research Institute. Hanno dimostrato che il fondo è un mix di un costante ronzio a bassa energia proveniente dalla roccia e di un flusso molto più silenzioso, ma più penetrante, di particelle ad alta energia provenienti dallo spazio. Questi numeri non sono solo dati astratti; forniscono la linea di base essenziale di cui avranno bisogno i futuri esperimenti per progettare le loro schermature e interpretare i loro risultati. Senza sapere esattamente quanti neutroni sono presenti e quali energie trasportano, gli scienziati non possono essere certi se un segnale rilevato sia una nuova particella o solo il familiare chiacchiericcio della Terra stessa. Questo lavoro assicura che la prossima generazione di esperimenti in questa miniera, e in altre simili, sia costruita su una base di realtà precisa e misurata piuttosto che su semplici stime teoriche.
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