Il Sudbury Neutrino Observatory (SNO) è stato un importante esperimento canadese di fisica delle particelle per l'osservazione dei neutrini solari attraverso la loro interazione con acqua pesante.
L'esperimento è stato di grande importanza scientifica, in quanto ha risolto il problema dei neutrini solari concludendo che la sua soluzione è nelle oscillazioni di neutrino e che quindi il neutrino ha massa.
Il rivelatore era collocato circa 2 km sotto la superficie terrestre nella miniera Creighton, della società CVRD Inco, vicino alla città di Sudbury in Ontario nel Canada, da cui l'esperimento prende il nome.
In particolare il rivelatore era di tipo Čerenkov in tempo reale e funzionò dal maggio 1999, fino al 28 novembre 2006. Il giorno dopo che l'esperimento fu ufficialmente spento un terremoto inusualmente intenso di magnitudine 4,1 scosse la miniera dove è collocato SNO danneggiando le apparecchiature. Dopo il 2006 la collaborazione SNO ha continuato ad analizzare i dati raccolti negli anni precedenti.
È previsto il riutilizzo delle strutture esistenti per l'esperimento SNO+.
Motivazioni dell'esperimento
Le prime misure del flusso di neutrini solari che arrivano sulla Terra furono prese negli anni '60, e tutti gli esperimenti prima di SNO (Homestake, SAGE, GALLEX, Kamiokande, Superkamiokande) rivelarono da un terzo a metà dei neutrini in meno rispetto a quelli previsti dal modello solare standard. Questo effetto è conosciuto come problema dei neutrini solari. Per alcuni decenni sono state proposte molte soluzioni per spiegare l'effetto, una di queste è l'ipotesi delle oscillazioni del neutrino che prevede che i neutrini abbiano massa e possano cambiare sapore.uno dei primi articoli sulle oscillazioni: Tutti i rivelatori di neutrini solari utilizzati prima di SNO erano sensibili principalmente o esclusivamente ai neutrini elettronici e non ai neutrini muonici o tauonici. L'esperimento SNO fu progettato per verificare l'ipotesi delle oscillazioni del neutrino, misurando contemporaneamente il flusso di neutrini elettronici, ma anche il flusso totale di neutrini, compresi quelli muonici e tauonici.
Nel 1984 Herb Chen dell'Università della California per primo sottolineò i vantaggi nell'usare l'acqua pesante come rivelatore per i neutrini solari. A differenza dei rivelatori precedenti, l'uso dell'acqua pesante consentiva di rivelare due tipi di reazioni, di cui una sensibile a tutti i sapori di neutrino. La miniera Creighton nei pressi di Sudbury, uno dei luoghi più profondi al mondo e con un basso fondo radioattivo, fu presto identificato come luogo ideale per costruire l'esperimento.
La collaborazione SNO tenne il suo primo incontro nel 1984. All'epoca era in competizione con la "KAON Factory" di TRIUMF per ottenere i finanziamenti federali, ma la larga varietà di università che appoggiavano SNO gli consentì di essere selezionata. Il via ufficiale fu dato nel 1990.
All'apertura ufficiale di SNO nel 1998 furono presenti fisici famosi e premi Nobel come Stephen Hawking, Bertram Brockhouse e Richard Taylor.
Descrizione del rivelatore
Il rivelatore di SNO si trova sotto 2092 metri di roccia, equivalenti a 6010 metri di acqua.
Il bersaglio di SNO era composto da 1000 tonnellate di acqua pesante ultrapura contenuta in un contenitore sferico di 6 metri di raggio di polimetilmetacrilato (acrilico) spesso 5 cm. La sfera contenente l'acqua pesante era circondata da 9456 fotomoltiplicatori (PMT), ognuno di 20 cm di diametro, montati su una sfera geodetica in acciaio inossidabile con un diametro di 17,8 metri. Lo spazio esterno, una caverna con un diametro massimo di 22 metri, era riempito con 7300 tonnellate di acqua leggera ultrapura comprese 1700 tonnellate nello spazio tra la sfera di acrilico e i fotomoltiplicatori, che servivano come schermo dalla radioattività proveniente dall'esterno, dai muri, dai fototubi e da altri materiali utilizzati; inoltre l'acqua aiutava a sostenere il bersaglio con la spinta di Archimede.
L'osservatorio si trova alla fine di un lungo tunnel lungo 1,5 chilometri, soprannominato "SNO drift", che lo isola dal resto della miniera. Lungo il tunnel ci sono varie camere pulite. La maggior parte dell'impianto è Class 3000 (cioè meno di 3000 particelle da 1 µm o meno per ogni m³ d'aria), mentre la grotta finale contenente il rivelatore è di Class 1000.
La costruzione di SNO cominciò nel 1990 e fu completata nel 1998, i primi tre anni servirono per gli scavi, i successivi cinque per la costruzione, con un costo di 73 milioni di dollari canadesi (quasi 41 milioni di euroQuotazione del 1999 http://www.oanda.com) con il supporto di vari istituti canadesi, statunitensi e inglesi. L'acqua pesante, per un valore di 330MC$, è stata prestata gratuitamente dalla Atomic Energy of Canada Limited (AECL) con la cooperazione di Ontario Power Generation e il sito è stato fornito da Inco Limited. La grande disponibilità di acqua pesante è dovuta alle centrali nucleari canadesi in gran parte di tipo CANDU che utilizzano acqua pesante.
L'esperimento non rivelava direttamente i neutrini, ma osservava tramite i fotomoltiplicatori la luce prodotta da elettroni ultrarelativistici nell'acqua pesante per effetto Čerenkov, prodotti in vari processi. L'esperimento SNO era sensibile a tre diverse reazioni con i neutrini, e studiando i rapporti tra i flussi dei neutrini rivelati con ognuna di queste reazioni l'esperimento fu in grado di verificare l'ipotesi dell'oscillazione dei neutrini.
Riduzione del rumore SNO era un esperimento in cui la riduzione del fondo radioattivo era di estrema importanza in quanto gli eventi che voleva osservare erano molto rari e non dovevano essere confusi con altri eventi dovuti alla radioattività di fondo. La più importante fonte di questo rumore erano le strutture permanenti all'interno della geosfera per il supporto dei fototubi e le sostanze radioattive disciolte nell'acqua.
Particolare cura è stata fatta nella scelta dei materiali a basso contenuto di Th-232 e U-238. Il fondo più problematico era dovuto ai fotoni da 2.61 MeV e 2.45 MeV e i relativi elettroni che sommandosi in coincidenza possono simulare un evento generato da un neutrino. Inoltre qualsiasi fotone sopra i 2.2 MeV può fotodisintegrare un deutone liberando un neutrone, che è indistinguibile da un neutrone prodotto nell'interazione di un neutrino in corrente neutra.
Altre cause di fondi radioattivi sono i raggi cosmici e la radioattività dei muri della caverna. I 6010 metri di acqua equivalente di roccia riducevano il flusso di raggi cosmici ad un livello trascurabile. Il flusso di muoni era di circa 1 all'ora.
Purificazione dell'acqua Il sistema per il trattamento dell'acqua era progettato per purificare l'acqua e contemporaneamente misurarne il livello di contaminazione. Il sistema era diviso in due parti, una per l'acqua leggera e una per l'acqua pesante. Quest'ultima è la più importante perché le reazioni avvengono proprio nell'acqua pesante, mentre quella leggera funge solo da schermo. Le strutture erano poste sottoterra, vicino al rivelatore. L'acqua leggera era fornita da un sistema di purificazione in superficie che forniva acqua potabile alla miniera. Quest'acqua conteneva sabbia, polveri, batteri, alghe, sali inorganici, molecole organiche e gas (N2, O2, CO2, Rn, ...). Sottoterra era poi trattata, purificata degassata e infine rigassata con azoto puro e raffreddata a 10 °C.
Particolare attenzione era rivolta ad elementi radioattivi come quelli della catena radioattiva dell'uranio e del torio che devono essere ridotti ad una concentrazione milioni di volte inferiore a quella naturale. Se un isotopo radioattivo decadesse nel rivelatore o nelle sue vicinanze il segnale potrebbe essere indistinguibile da quello prodotto da un neutrino. L'acqua esterna al rivelatore serviva per assorbire i raggi gamma e i neutroni prodotti dalla radioattività delle rocce. Nelle 1000 tonnellate di acqua pesante le impurità dovevano essere minori di 10−14g/g di acqua, mentre nelle 7000 tonnellate di acqua leggere il livello di impurità era mantenuto inferiore a 10−13g/g di acqua.
Tutti i materiali che componevano il rivelatore e che erano a contatto con l'acqua sono stati attentamente selezionali e analizzati per evitare contaminazioni radioattive. Nonostante questo l'acqua era purificata con una velocità di 100 litri al minuto. Il sistema di purificazione eliminava anche ogni attività biologica nell'acqua, poiché questo può compromettere la trasmittanza dei raggi UV nell'acqua.
Il sistema di purificazione usava una grande varietà di tecniche. I componenti principali erano unità a osmosi inversa ad alta pressione, ultra filtrazione, scambiatori di ioni, sterilizzazione a ultravioletti e degassamento a vuoto. Filtri speciali e speciali agenti sono stati sviluppati per rimuovere particolari elementi e per controllare il livello di impurità. Filtri al piombo e al Mn02 sono stati sviluppati per l'estrazione dei derivati dell'uranio e del torio.
Una delle maggiori funzioni del sistema per l'acqua pesante era di aggiungere e rimuovere un grande volume di sale. Quantità controllate di sale sono state aggiunte nella fase salata dell'esperimento.
L'acqua e l'acqua pesante erano isolate dall'aria del laboratorio tramite uno strato di azoto gassoso.
Interazioni con i neutrini Interazioni con corrente carica Con una interazione di corrente carica un neutrino converte un neutrone di un deutone in un protone. Il neutrino è assorbito nella reazione ed è prodotto un elettrone.
I neutrini solari hanno energia minore della massa del muone e del tauone, quindi solo i neutrini elettronici possono partecipare a questa reazione. L'elettrone trasporta gran parte dell'energia rilasciata dal neutrino incidente, dell'ordine di 5-15 MeV, ed è rivelabile tramite la luce Cherenkov che produce. Il protone che è prodotto invece non ha energia sufficiente per essere osservato. Perché avvenga la reazione il neutrino incidente deve avere un'energia maggiore ad una soglia cinematica di 2mp+me-md = 1,442 MeV. In realtà l'esperimento è sensibile solo agli elettroni che hanno un'energia sufficiente da renderli distinguibili dal fondo ambientale e cosmico, in particolare deve essere maggiore di 5,5 MeV, che vuol dire che i neutrini incidenti devono avere un'energia minima di 6,9 MeV e quindi l'esperimento è sensibile solo ai neutrini solari prodotti nella reazione .
Gli elettroni prodotti nell'interazione di corrente carica sono emessi in tutte le direzioni, ma c'è una leggera tendenza nella direzione opposta a quella di provenienza del neutrino.
Interazioni con corrente neutra Nel processo in corrente neutra (NC) un neutrino "rompe" il deutone in un protone e un neutrone.
Il neutrino continua a perdere energia e tutti i tipi di neutrino possono partecipare all'interazione. Questo tipo di interazione è molto importante perché è sensibile a tutti i sapori di neutrino in eguale misura. Quello che viene rivelato è il neutrone attraverso una cattura neutronica.
L'acqua pesante ha una grande sezione d'urto per la cattura di neutroni, e quando un neutrone è catturato da un nucleo di deuterio viene prodotto un fotone di 6,25 MeV. La direzione del fotone è completamente non correlata alla direzione del Sole. Questo fatto può essere usato per discriminare questi fotoni da quelli prodotti per effetto Čerenkov negli altri processi. I fotoni prodotti daranno origine ad elettroni per effetto Compton che emetteranno fotoni per effetto Čerenkov che verranno rivelati.