Analysis of CONUS+ run 2: Detector performance, background model and CE$\nu$NS measurement

I neutrini sono le particelle più abbondanti nell'universo, eppure sono anche le più elusive. Attraversano pianeti, stelle e corpi umani senza lasciare traccia, interagendo con la materia così raramente che rilevarli richiede solitamente enormi serbatoi di liquido o giganteschi rivelatori sepolti in profondità sottoterra. Per decenni, i fisici si sono affidati a questi strumenti colossali per cogliere un riflesso di queste particelle fantasma. Tuttavia, un tipo specifico di interazione chiamato scattering coerente elastico neutrino-nucleo offre una strada diversa. In questo evento raro, un neutrino colpisce l'intero nucleo atomico in una volta sola anziché un singolo particella al suo interno, causando il rinculo dell'intero nucleo. Poiché il neutrino spinge l'intero nucleo, la forza è molto più intensa del solito, ma il movimento risultante è incredibilmente minuscolo. Per vedere questo, gli scienziati devono costruire rivelatori abbastanza sensibili da percepire una vibrazione più piccola della larghezza di un singolo atomo, mantenendo al contempo lo strumento perfettamente silenzioso affinché il rumore di fondo non sommerga il segnale.

Un team di ricercatori dell'esperimento CONUS+, situato all'interno di una centrale nucleare in Svizzera, è riuscito a catturare questo debole segnale utilizzando una nuova generazione di rivelatori. Aggiornando la loro attrezzatura con cristalli più grandi e sensibili, sono stati in grado di osservare il rinculo degli atomi di germanio causato dagli antineutrini che fluiscono dal nocello del reattore. Il team ha analizzato i dati raccolti durante un periodo che ammontava a 1.296 giorni di esposizione con il reattore in funzione. La loro analisi ha rivelato un chiaro eccesso di eventi che corrispondeva al comportamento previsto dei neutrini, confermando la presenza di 1.555 eventi di segnale con una certezza statistica che lascia quasi zero spazio al caso. Questo risultato si allinea strettamente con le previsioni standard della fisica, dimostrando che questi piccoli rivelatori possono ora misurare le proprietà dei neutrini con una precisione che rivaleggia con esperimenti molto più grandi.

L'esperimento è situato a soli 20 metri dal nocello della centrale nucleare di Leibstadt, posizionandolo in un ambiente inondato di antineutrini. Per catturare il debole segnale di un nucleo che ricade, i ricercatori hanno dovuto abbassare la soglia energetica dei loro rivelatori a un livello tale che anche le vibrazioni più piccole potessero essere registrate. Nella loro prima fase operativa, hanno utilizzato rivelatori pesanti un chilogrammo ciascuno. Per questa seconda corsa, hanno sostituito tre di essi con nuovi diodi pesanti 2,42 chilogrammi ciascuno. Questi cristalli più grandi offrivano un vantaggio significativo: poiché possiedono più massa rispetto alla loro superficie, sono meno influenzati dal rumore di fondo proveniente dalla superficie del materiale. Questo cambiamento di progettazione ha permesso ai nuovi rivelatori di raggiungere un livello di fondo per unità di massa che era circa la metà di quello dei rivelatori originali, pur mantenendo la capacità di rilevare depositi di energia piccoli tra 140 e 170 elettronvolt.

Il team ha affrontato la sfida di distinguere il genuino segnale dei neutrini da una varietà di fonti di fondo, come i raggi cosmici che colpiscono l'atmosfera terrestre o la radioattività naturale nella roccia e nelle apparecchiature circostanti. Per risolvere il problema, hanno costruito uno schermo multistrato attorno ai loro rivelatori utilizzando piombo, polietilene e polietilene borato per bloccare la radiazione esterna. Hanno inoltre circondato l'allestimento con piastre di scintillatore plastico che fungono da guardiano, identificando e rifiutando istantaneamente qualsiasi evento causato da muoni cosmici che passano attraverso l'impianto. I rivelatori stessi sono stati mantenuti in un ambiente privo di radon e raffreddati a temperature estremamente basse per minimizzare il rumore elettronico. Durante tutto il periodo di raccolta dei dati, iniziato all'inizio del 2025, i ricercatori hanno monitorato la stabilità della loro attrezzatura, assicurandosi che le fluttuazioni di temperatura o i problemi di alimentazione non distorcessero i risultati. Hanno persino sospeso la raccolta dei dati dopo un'interruzione di corrente per ricalibrare il sistema, garantendo che solo i dati più affidabili venissero utilizzati per l'analisi finale.

Una volta raccolti i dati, i ricercatori hanno applicato una serie di filtri rigorosi per rimuovere qualsiasi evento che non somigliasse a una vera interazione con i neutrini. Hanno esaminato la forma dei segnali elettrici prodotti da ogni evento, controllando la presenza di caratteristiche che indicherebbero un impatto singolo e pulito su un nucleo piuttosto che un'interazione disordinata che coinvolge più particelle o rumore superficiale. Hanno anche confrontato i dati raccolti mentre il reattore era in funzione con i dati raccolti mentre il reattore era spento. Poiché il reattore è la fonte degli antineutrini, qualsiasi segnale che appare solo quando il reattore è attivo e scompare quando è spento deve essere correlato ai neutrini. Questo confronto ha permesso loro di isolare il segnale dal fondo con alta confidenza.

L'analisi finale ha prodotto un risultato definitivo. Il team ha contato 1.555 eventi che ha identificato come scattering coerente elastico neutrino-nucleo, con un'incertezza di 152 eventi. Questo numero corrisponde a una significatività statistica di 10,2 sigma, una misura di certezza che indica che la probabilità che questo risultato sia un caso fortuito è virtualmente nulla. Il numero di eventi osservati era molto vicino ai 1.701 eventi previsti dal Modello Standard della fisica delle particelle, con il rapporto tra i valori osservati e quelli previsti pari a 0,91. Questo accordo suggerisce che l'attuale comprensione di come i neutrini interagiscono con la materia sia corretta. I ricercatori hanno anche notato che la loro misurazione era limitata più dalla statistica dei dati che dagli errori sistematici, il che significa che la raccolta di ulteriori dati in futuro migliorerebbe direttamente la precisione della misurazione.

Questo successo segna la transizione dell'esperimento CONUS+ da uno studio di prova di concetto a uno strumento per la misurazione di precisione. L'aggiornamento ai rivelatori più grandi non solo ha migliorato il rapporto segnale-rumore, ma ha anche fornito un set di dati più robusto per testare le proprietà fondamentali dei neutrini. Il team ha in programma di continuare a raccogliere dati, puntando ad accumulare un'esposizione ancora maggiore per ridurre ulteriormente le incertezze statistiche. Perfezionando i loro modelli di fondo e potenzialmente applicando tecniche aggiuntive per filtrare il rumore, sperano di spingere la precisione di queste misurazioni ancora oltre. Questo lavoro apre la porta a studi futuri che potrebbero indagare la nuova fisica oltre l'attuale Modello Standard, utilizzando rivelatori compatti su scala di chilogrammi per esplorare questioni che precedentemente richiedevano strutture massicce di tonnellate. La capacità di misurare queste interazioni con tale chiarezza in un setup relativamente piccolo rappresenta un passo avanti significativo nel campo della fisica dei neutrini.