Il rivelatore principale di JUNO si trova a 750 metri di profondità in un laboratorio specializzato. La foto mostra la vasca d'acqua (ancora vuota) del rivelatore con l'impalcatura centrale. All'interno di questa impalcatura si trova la sfera acrilica di 34,5 metri di diametro, riempita con lo scintillatore liquido. La copertura bianca protegge i componenti sensibili solo durante l'assemblaggio.
JUNO è posizionato con precisione tra otto reattori nucleari esistenti, fornendo una sorgente di neutrini per lo studio. Al suo interno si trova una gigantesca sfera acrilica altamente trasparente, di 34,5 metri di diametro interno, riempita con 20.000 tonnellate di una sostanza oleosa appositamente sviluppata. Questo scintillatore liquido genera fotoni quando un neutrino interagisce con esso ed è racchiuso in una grande vasca d'acqua da 35.000 tonnellate. I fotoni vengono rilevati da una serie di circa 45.000 tubi fotomoltiplicatori (PMT) che circondano la sfera. I team dell'Università Tecnica di Monaco (TUM) e dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza utilizzano le schede di digitalizzazione M4i.2212 di Spectrum Instrumentation nei loro esperimenti di laboratorio ad alta precisione per caratterizzare gli scintillatori liquidi, che richiedono un'acquisizione dati avanzata. Quando il rivelatore JUNO entrerà in funzione alla fine del 2024, sarà il più grande rivelatore di neutrini liquidi mai costruito. Il rivelatore migliorerà drasticamente la nostra comprensione delle interazioni e delle proprietà di queste elusive particelle fantasma.
Cinematica tipica dell'emissione luminosa per una miscela di scintillazione liquida lenta. La luce Cherenkov (linea rossa), che si presenta sotto forma di un picco netto nel tempo, è seguita dal decadimento più lento della luce di scintillazione (linea verde).
Rivelazione di neutrini:
la sfera centrale in acrilico contiene lo scintillatore liquido circondato da uno strato d'acqua. Entrambi devono essere ultrapuri, poiché la minima contaminazione potrebbe introdurre materiale radioattivo. Durante la costruzione, gli operai hanno dovuto indossare due paia di guanti, poiché anche una traccia di sudore da un'impronta digitale avrebbe potuto contaminare e compromettere l'intero progetto. Il rivelatore è situato in uno spazio appositamente scavato a 750 m di profondità per proteggerlo dalle radiazioni ambientali.
Quando un neutrino interagisce con lo scintillatore liquido (LS), deposita l'energia dell'interazione nelle molecole di questa sostanza. L'enorme emissione luminosa dello scintillatore liquido (tipicamente > 10.000 fotoni/MeV) garantisce una determinazione precisa dell'energia depositata. Sarebbe molto utile poter ricostruire anche la direzione del neutrino incidente. In questo caso, la debole ma direzionale luce Cherenkov proveniente dal passaggio iniziale del neutrino attraverso l'acqua viene confrontata per fornire ai fisici questa informazione.
L'obiettivo dello sviluppo in corso di scintillatori liquidi a Monaco e Magonza è quello di separare la luce Cherenkov, veloce ma debole, dalla luce di scintillazione dominante, per consentire la ricostruzione energetica e direzionale simultanea. A tal fine, il team del Dr. Hans Steiger ha realizzato diversi esperimenti di precisione da banco con maggiore capacità di raccolta della luce e risoluzione temporale.
"Abbiamo scelto le schede digitalizzatrici Spectrum perché ci offrono prestazioni all'avanguardia ma, a differenza delle soluzioni concorrenti, non sono né costose né personalizzate", afferma il Dr. Hans Steiger, responsabile del progetto. "L'approccio modulare di Spectrum ci ha permesso di specificare esattamente le funzionalità di cui avevamo bisogno, evitando compromessi o sprechi di denaro per caratteristiche indesiderate. Apprezzo molto il fatto che siano un prodotto PCIe standard, che ci consente di espandere il sistema in un case per computer standard man mano che riceviamo ulteriori finanziamenti. Come università coinvolta in progetti internazionali di ampio respiro e a lungo termine, abbiamo bisogno di componenti affidabili e la garanzia di cinque anni di Spectrum ci offre la massima tranquillità."
Digitalizzatore PCIe M4i.2212-x8 di Spectrum Instrumentation con frequenza di campionamento di 1,25 GS/s su 4 canali.
I risultati di JUNO danno anche impulso alla ricerca astronomica.
Oltre al lavoro di ricostruzione degli eventi, il team contribuisce a JUNO con un progetto di calibrazione. Questo progetto prevede la caratterizzazione del materiale del rivelatore utilizzando sorgenti radioattive di raggi gamma e neutroni con energia e direzioni di incidenza predeterminate. "Le nostre caratterizzazioni degli scintillatori liquidi sono possibili solo grazie alle schede di digitalizzazione ultraveloci che ci consentono di lavorare con intervalli di tempo misurati in picosecondi. Inoltre, la gamma dinamica di 5 V è di gran lunga superiore a quella dei concorrenti, che di solito è di 1 V, il che significa che possono gestire facilmente gli impulsi di 3 V dei nostri fotomoltiplicatori che incontriamo", ha osservato Meishu Lu, dottoranda del gruppo TUM. Manuel Böhles, che lavora a Magonza, aggiunge: "Spectrum è stata di grande aiuto nel trovare le soluzioni migliori per il nostro progetto e nel risolvere qualsiasi problema con una semplice telefonata a uno dei loro ingegneri. È fantastico che si impegnino a sostenere la ricerca fondamentale in molte università come la nostra".
Il diagramma mostra il primo impulso di radiazione Cherenkov seguito dal segnale di scintillazione, che fornisce le informazioni sull'energia. Questo avviene in meno di due nanosecondi. Combinando queste informazioni, è possibile determinare il tipo di particella e la sua origine. Potrebbe provenire da uno dei reattori cinesi, dal Sole, dal nucleo terrestre o dallo spazio profondo. "Non siamo mai stati in grado prima di individuare con precisione l'origine di un neutrino nei rivelatori a scintillazione, quindi questo apre campi di ricerca completamente nuovi", spiega il Dr. Steiger. "Se, ad esempio, una stella morente, o una cosiddetta supernova, emette grandi quantità di neutrini nel cielo, ora non solo possiamo vederli, ma anche ricostruire con grande precisione il punto nel cielo in cui è avvenuta l'esplosione. In pratica, ora abbiamo un telescopio per osservare queste diverse sorgenti di neutrini e comprendere meglio i processi." Grazie alla capacità di rilevare la luce nell'intero spettro, le onde gravitazionali e ora anche i neutrini con elevata statistica, risoluzione energetica e direzionalità, si apre una nuova era dell'astronomia multimessaggero.
