L’esperimento internazionale KATRIN ha celebrato il traguardo dei mille giorni di attività scientifica inaugurando una nuova e attesissima fase di ricerca. Il progetto, coordinato dal Karlsruhe Institute of Technology in Germania, vede la collaborazione di 20 istituzioni scientifiche provenienti da 7 Paesi, tra cui spicca l’importante contributo italiano del Politecnico di Milano. Con l’installazione del nuovissimo rivelatore TRISTAN, i ricercatori si preparano ora a ridefinire i confini della fisica moderna. Questa tecnologia avanzata permetterà di dare la caccia al misterioso neutrino sterile, una particella ipotetica che potrebbe finalmente spiegare la natura profonda della materia oscura nel cosmo. Il successo iniziale della prima fase apre la strada a una stagione di scoperte senza precedenti per l’intera comunità scientifica mondiale.
I record della bilancia più precisa del mondo
I neutrini sono particelle estremamente elusive che interagiscono pochissimo con la materia, rendendo la loro intercettazione una sfida complessa. Nonostante la loro incredibile abbondanza nel cosmo, possiedono una massa minuscola, stimata a meno di 1 milionesimo di quella di un elettrone. Conoscere il loro peso esatto è cruciale per comprendere l’evoluzione delle galassie su grande scala e per individuare processi fisici ancora ignoti.
Il progetto KATRIN opera come la bilancia più precisa mai costruita per questo scopo, analizzando il decadimento del trizio, un isotopo radioattivo dell’idrogeno. Durante questo processo viene emesso un elettrone insieme a un neutrino; misurando con estrema precisione l’energia massima degli elettroni prodotti, gli scienziati ricavano per differenza la quantità di energia e di massa portata via dal neutrino. Già dopo i primi 269 giorni di misurazioni nel 2019, l’esperimento ha stabilito un record mondiale fissando il limite superiore della massa a 8·10-37 kg, pari a 0,45 eV/c2, un risultato eccezionale che ha guadagnato la pubblicazione sulla prestigiosa rivista Science.
La caccia al neutrino sterile e la materia oscura
La seconda fase del progetto mira a superare i confini del Modello Standard attraverso l’esplorazione di uno spazio di parametri molto più ampio rispetto a quanto fatto finora, come testimoniano i primi dati già condivisi sulla rivista Nature. L’obiettivo principale è identificare il neutrino sterile, un ipotetico quarto tipo di neutrino ancora più difficile da intercettare rispetto ai 3 già noti alla scienza.
Il professor Marco Carminati, referente nazionale dell’esperimento, ha spiegato che si cercheranno le tracce di questa particella in un intervallo di valori specifico, caratterizzato da una massa dell’ordine dei keV, ossia 1mila elettronvolt, e un angolo di mixing di 1 parte su 1 milione. Queste precise caratteristiche renderebbero il neutrino sterile il candidato ideale per spiegare la composizione della materia oscura. Determinare con esattezza la massa di queste particelle e dimostrare l’esistenza della variante sterile permetterebbe di confermare che l’attuale descrizione della materia e delle forze di interazione standard è incompleta, aprendo le porte a una nuova fisica.
Il cuore tecnologico di TRISTAN è sviluppato in Italia
Il grande salto di qualità tecnologico di KATRIN è rappresentato dal rivelatore TRISTAN, uno strumento all’avanguardia sviluppato in stretta sinergia con la ricerca italiana. Il gruppo RadLab del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano, guidato dai docenti Carlo Fiorini e Marco Carminati e supportato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, ha progettato e realizzato i moduli di rivelazione e l’elettronica di lettura a basso rumore e ad alta compattezza.
TRISTAN si presenta come una struttura complessa, costituita da una matrice di 9 moduli di rivelazione. Ciascun modulo è composto a sua volta da un array monolitico di 166 Silicon Drift Detector, raggiungendo un totale complessivo di 1mila 494 pixel spettroscopici. Questa particolare tipologia di rivelatore venne inventata negli anni 80 da Emilio Gatti, docente emerito del Politecnico di Milano scomparso nel 2016 e storico fondatore della scuola di Elettronica dell’ateneo.
I Silicon Drift Detector offrono eccellenti prestazioni in termini di contenimento del rumore di fondo e sono ampiamente consolidati per la rilevazione di raggi X, specialmente nelle applicazioni spettroscopiche. La vera novità del progetto KATRIN risiede proprio nell’impiego di queste matrici per la spettroscopia di elettroni. Si tratta dell’array di rivelatori di questo genere più grande mai costruito nella storia della fisica. La sua messa in opera ha permesso di superare importanti sfide ingegneristiche legate all’elettronica di front-end, garantendo elevata compattezza, integrità del segnale e perfetta funzionalità in condizioni operative estreme, caratterizzate da ultra alto vuoto e campi magnetici ed elettrici di grandissima intensità.
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