La nascita di un buco nero

La nascita di un buco nero (utilizzo di DUNE)

Gli scienziati sperano di utilizzare esperimenti sui neutrini, per guardare una forma possibile di buco nero.

Lauren Biron

I buchi neri ci affascinano. Possiamo facilmente evocare immagini di loro, mentre inghiottono astronavi, ma sappiamo pochissimo di questi strani oggetti. In realtà, non abbiamo mai nemmeno visto una forma di buco nero. Con gli esperimenti sui neutrini, come l'imminente profondo metropolitano Experiment Neutrino,  si spera di cambiare la situazione.

"Devi essere un po’fortunato, - afferma Mark Thomson, portavoce di DUNE - ma sarebbe una delle maggiori scoperte della scienza. Sarebbe assolutamente incredibile. "

I buchi neri a volte nascono quando una stella massiccia, in genere più di otto volte la massa del nostro Sole, crolla o meglio implode. Ci sono un sacco di domande su ciò che accade esattamente durante il processo: con quale frequenza queste stelle collassano e danno luogo a buchi neri? Quando, nel crollo, opera in realtà lo sviluppo del buco nero?

Ciò che gli scienziati sanno è che in profondità nel nucleo denso della stella, protoni ed elettroni sono compressi insieme per formare i neutroni e, l'invio di particelle fantasma chiamate neutrini che sgorgano via. Altra materia rientra verso l'interno. Nel caso da manuale, la materia rimbalza e scoppia, lasciando una stella di neutroni. A volte, la supernova ha esito negativo, e non c'è nessuna esplosione; si tratta di una falsa percezione, invece, è appena  nato un buco nero.

I giganteschi rivelatori di DUNE, pieni di argon liquido, saranno collocati un miglio sotto la superficie cioè saranno riproposti all’interno di una miniera d'oro. Mentre gran parte del loro tempo sarà speso alla ricerca di neutrini inviati dal Fermi National Accelerator Laboratory a 800 miglia di distanza, i rivelatori avranno anche la rara capacità di prendere il collasso del nucleo di una supernova nella nostra galassia (Via Lattea) - o meno e, che porta a un nuovo buco nero.

L'unica supernova mai registrata da un rivelatori di neutrini è stata verificata nel 1987, quando gli scienziati hanno visto un totale di 19 neutrini. Gli scienziati ancora non sanno se questa supernova ha formato un buco nero o semplicemente una stella a neutroni: non c'erano abbastanza dati. Thomson dice che se una supernova si spegne relativamente vicina, DUNE potrà vedere fino a 10.000 neutrini.

DUNE cercherà una firma particolare nei neutrini raccolti dal rivelatore. E 'previsto che un buco nero si forma relativamente presto in una supernova. I neutrini saranno in grado di lasciare il crollo della supernova, in gran numero, fino a quando emerge il buco nero, che cattura-tutto, compreso la luce e i neutrini. In termini di dati, questo significa che si otterrebbe un grande scoppio di neutrini con un improvviso taglio.

I neutrini sono di tre tipi, chiamati gusti: elettroni, muoni e tau. Quando una stella esplode, emette tutti i vari tipi di neutrini, così come le loro antiparticelle.

Sono difficili da catturare. Questi neutrini arrivano con 100 volte meno energia di quelli che arrivano da un acceleratore per esperimenti, e questo rende meno probabile che avvenga l'interazione in un rivelatore.

La maggior parte dei rivelatori di particelle in questo periodo in esecuzione, sono di grandi dimensioni e, in grado di vedere i neutrini di una supernova. Sono i migliori a rilevare antineutrini e elettroni non grandi, oltre che a individuare i loro equivalenti in materia, cioè i neutrini elettronici.

"Sarebbe una tragedia di non essere pronto a rilevare i neutrini in dettaglio in pieno, per rispondere alle domande fondamentali, - dice John Beacom, direttore del Centro per la cosmologia e la fisica delle astro-particelle all’Ohio State University - per fortuna, DUNE è unico”.                                                                                                                                          "L'unico strumento sensibile a un enorme sorso di elettroni e di neutrini è DUNE, - dice Kate Scholberg, professore di fisica alla Duke University - e questo avviene in funzione dell’utilizzo di argon [come fluido rilevatore]".

Ci vorrà, però, più di un semplice DUNE per avere il quadro completo.                          “Ottenere una suite completa di grandi e potenti rilevatori di tipo diverso, -dice Beacom -, installati e funzionanti è il modo migliore per capire la vita dei buchi neri”.

C'è un grande rivelatore di scintillatore, JUNO nella diapositiva in basso

, che adesso opera in Cina, e piani per realizzare un enorme rivelatore a base d'acqua, Hyper-K  nella foto in basso

, che sarà avviato in Giappone. Rivelatori di onde gravitazionali come LIGO (qui in basso)

potrebbero, raccogliendo nuove informazioni sulla densità di materia e di ciò che sta accadendo nella fase del crollo implosoniale di una supernova.

"Il mio sogno -afferma Scholberg - è quello di avere una supernova con JUNO, Hyper-K e DUNE tutti online. Certamente costituirebbe il meglio nel mio decennio".

La velocità con cui i neutrini arrivano dopo il collasso di una supernova, informerà gli scienziati su quello che sta accadendo al centro del nucleo in collasso, ma fornirà anche informazioni sul misterioso neutrino, compreso il modo in cui interagiscono tra di loro e potenziali approfondimenti su quanto, queste piccole particelle, pesano realmente.

Entro i prossimi tre anni, la rapida crescita della collaborazione sul progetto DUNE costruirà e iniziare a provare un prototipo del rivelatore argon liquido ( nella foto in basso)

di 40.000 tonnellate. La versione di 400 tonnellate, sarà il secondo più grande esperimento di argon-liquido mai costruito finora . E 'previsto che il test, si eseguirà al CERN, a partire nel 2018.

Per DUNE si prevede, che si possa avviare l'installazione del primo dei suoi quattro rivelatori, Facility Sanford, con una ricerca metropolitana, nel 2021.

L’alba di DUNE                                                                                                                                L'esperimento neutrino prima noto come LBNE è stato trasformato. Ha guadagnato la collaborazione circa 50 nuovi istituti membri, ha eletto due nuovi portavoce e scelto un nuovo nome: Neutrino Experiment in profondità, o DUNE.

L'esperimento proposto sarà con lo strumento più potente del mondo per lo studio delle particelle difficili da catturare, chiamati neutrini. Avrà uno sviluppo su 800 miglia. Si inizierà con un quasi rivelatore e un intenso fascio di neutrini prodotti al Fermi National Accelerator Laboratory

in Illinois. Finirà con un rivelatore lontano, di 10 kilotoni, situato sottoterra in un laboratorio presso l'impianto metropolitano di ricerca a Sanford nel Sud Dakota. La distanza tra i due rivelatori permetterà agli scienziati di studiare il cambiamento dei neutrini che viaggiano quasi alla velocità della luce, dritto attraverso la Terra.

"Questo sarà l'esperimento fiore all'occhiello per la fisica delle particelle ospitato negli Stati Uniti, - afferma Jim Siegrist, direttore associato di fisica delle alte energie (Dipartimento dell'Energia Office of Science degli Stati Uniti) - e sarà un momento emozionante per la scienza dei neutrini e la fisica delle particelle in generale."

Nel 2014, la fisica delle particelle Progetto Prioritization Pannello ha identificato l'esperimento come una priorità assoluta per gli Stati Uniti nello studio della fisica delle particelle. Allo stesso tempo, ha raccomandato la collaborazione e quindi invitare alla partecipazione, quanto più possibile internazionale, nel processo di pianificazione.

Il fisico Sergio Bertolucci, direttore di ricerca e calcolo scientifico del CERN, ha preso il timone di un comitato esecutivo messo insieme per espandere la collaborazione e organizzare l'elezione di nuovi portavoce.

DUNE

ora include scienziati di 148 istituzioni in 23 paesi. Sarà il primo grande progetto internazionale ospitato dagli Stati Uniti per essere supervisionato, congiuntamente, da agenzie esterne.

La collaborazione ha eletto di recente due nuovi portavoce: André Rubbia, professore di fisica all'ETH di Zurigo e, Mark Thomson, professore di fisica all'Università di Cambridge. Uno servirà da portavoce per due anni e l'altro per tre anni, proprio per dare continuità nella leadership.  Rubbia ha cominciato con la ricerca dei neutrini come membro dell'esperimento NOMAD al CERN negli anni '90. Più di recente è stato una parte di LAGUNA-LBNO, una collaborazione che stava lavorando per un esperimento lungo una linea di base in Europa. Thomson ha un impegno a lungo termine nel campo sotterraneo statunitense, della fisica dei neutrini, ed è il principale investigatore DUNE, per il Regno Unito.

Gli scienziati si riuniscono per studiare i neutrini, particelle che raramente interagiscono costantemente e che fluiscono attraverso la Terra, ma sinora non sono stati ben compresi. Sono disponibili in tre tipologie e oscillano, o cambiano da tipo a tipo, mentre viaggiano su lunghe distanze. Hanno minuscole masse inspiegabili. I neutrini potrebbero contenere indizi su come l'universo ha cominciato e perché la materia oltrepassa notevolmente l'antimateria, che ci permette di esistere.

"La scienza è ciò che ci spinge, -dice Rubbia - e siamo al punto in cui la prossima generazione di esperimenti sta per affrontare il mistero delle oscillazioni dei neutrini. E 'un momento unico. "

Gli scienziati sperano di iniziare l'installazione del rilevatore lontano DUNE entro il 2021.                  " Siamo tutti coinvolti- dice Thomson – che sta spingendo in questa direzione, anche se è difficile prevedere che questo progetto, possa avvenire il più presto possibile".