Il 26 agosto l’esperimento JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), un grande osservatorio sotterraneo per neutrini nella Cina sudorientale, alla cui realizzazione collabora anche l’INFN, ha completato il riempimento delle 20.000 tonnellate di scintillatore liquido, che ne costituiscono il nucleo operativo, avviando anche la presa dati. Nel novero dei nuovi esperimenti di neutrini di larga scala e ultima generazione, JUNO è il primo ad arrivare con successo al termine della costruzione. Le operazioni iniziali e le analisi preliminari mostrano che le specifiche chiave delle prestazioni del rivelatore sono state pienamente soddisfatte e in alcuni casi superate. Questo consentirà all’esperimento di sciogliere uno dei dilemmi attualmente più pressanti della fisica del neutrino: sfruttando le caratteristiche dell’ormai conosciuto fenomeno delle oscillazioni di neutrino, JUNO chiarirà qual è l’ordinamento delle masse, ovvero se il terzo tipo di neutrino è più o meno pesante degli altri due.
“È importante sottolineare che sono stati pienamente soddisfatti rigorosi requisiti di ultra-purezza radioattiva e di trasparenza, sia per l’acqua sia per lo scintillatore liquido”, commenta Paolo Lombardi della sezione INFN di Milano, che per tutta la durata del riempimento ha guidato il gruppo che ha operato gli impianti di trattamento dello scintillatore. “Gli impianti di purificazione da noi realizzati e installati – aggiunge Lombardi – hanno funzionato perfettamente, rivelandosi di cruciale importanza per raggiungere e mantenere l’elevatissima qualità dello scintillatore necessaria per il successo scientifico di JUNO”.
Situato a 700 metri di profondità, nel sottosuolo vicino alla città di Jiangmen, nella provincia del Guangdong, JUNO osserva i neutrini prodotti dalle centrali nucleari di Taishan e Yangjiang, distanti 53 chilometri, misurando con precisione il loro spettro energetico. Rispetto ad altri esperimenti simili, JUNO può determinare l’ordinamento di massa dei neutrini senza ambiguità sperimentali, grazie al minimo tragitto e quindi alla ridotta interazione del fascio di neutrini con la materia terrestre, e all’indipendenza da altri parametri collaterali che intervengono in generale nelle oscillazioni, ma che non giocano alcun ruolo nel funzionamento di JUNO.
Inoltre, studiando l’ordinamento di massa, JUNO accumulerà dati che consentiranno anche di aumentare la nostra conoscenza quantitativa del processo di oscillazione dei neutrini, migliorando sostanzialmente la precisione di tre dei parametri che lo governano. Il suo vasto programma di fisica sarà, infine, completato da ricerche all’avanguardia sui neutrini da supernovae, sui neutrini solari, sui geoneutrini, e sulla possibile validità di ipotesi non convenzionali, come i neutrini sterili e il decadimento del protone.
L’esperimento JUNO è stato proposto nel 2008 ed è stato approvato dall’Accademia Cinese delle Scienze (CAS) e dalla Provincia del Guangdong nel 2013. L’INFN ha aderito all’iniziativa nel 2014, primo fra gli Istituti stranieri che attualmente vi partecipano. La costruzione del laboratorio sotterraneo è iniziata nel 2015, mentre l’installazione del rilevatore, cominciata nel dicembre 2021, è stata completata nel dicembre 2024, immediatamente seguita dal riempimento prima con acqua ultra-pura, poi con scintillatore liquido.
Durante la prima fase del riempimento, un totale di 60.000 tonnellate di acqua ultra-pura sono state immesse nell’apparato in 45 giorni, con una differenza di livello controllata entro pochi centimetri tra interno ed esterno della sfera di acrilico situata al centro del rivelatore, e un’incertezza sul flusso mantenuta al di sotto dello 0,5%, garantendo così l’integrità e la sicurezza strutturale dell’apparato. Nei sei mesi successivi 20.000 tonnellate di scintillatore liquido sono state inserite nel cuore dell’apparato, la sfera di acrilico del diametro di 35,4 metri, sostituendovi l’acqua pura temporaneamente presente.
Nel corso del riempimento si è proceduto in parallelo a mettere a punto tutti gli aspetti operativi dell’apparato e in particolare l’intera catena di acquisizione, con uno sforzo che ha coinvolto l’intera collaborazione, grazie al quale è stato possibile passare al termine del riempimento alla fase operativa di presa dati senza soluzione di continuità.
“Grazie all’immenso sforzo della Collaborazione scientifica per riempire e mettere a punto l’esperimento, non appena l’ultima goccia di scintillatore è entrata nell’apparato, JUNO ha iniziato la sua avventura verso i molti obiettivi di fisica che caratterizzano il suo programma, a partire dall’ordinamento delle masse dei neutrini”, sottolinea Gioacchino Ranucci, viceresponsabile internazionale della Collaborazione, alla guida del gruppo italiano e coordinatore dei gruppi europei in JUNO. “Il gruppo dell’INFN ha contribuito in modo decisivo alle promettenti prestazioni emerse durante la messa a punto dell’apparato: un contributo che abbraccia, oltre alla cruciale purificazione dello scintillatore, la realizzazione di importanti parti dell’elettronica, il controllo e la minimizzazione dei fondi radioattivi e il computing. L’impegno del nostro gruppo adesso procederà anche nell’analisi dei dati, in cui siamo già attivamente coinvolti”.
Caratteristiche dell’apparato sperimentale. Il cuore dell’esperimento JUNO è un contenitore di acrilico di 35,4 m di diametro contenente una massa efficace di 20.000 tonnellate di scintillatore liquido, situato al centro di una piscina d’acqua profonda 44 metri all’interno di una sala sperimentale sotterranea. L’acrilico è supportato da un guscio reticolato di acciaio inossidabile di 41,1 metri di diametro, che inoltre alloggia 20.000 tubi fotomoltiplicatori (PMT) da 20 pollici, 25.600 PMT da 3 pollici, insieme al resto della componentistica che comprende l’elettronica di front-end, i cavi, le bobine per la compensazione del campo magnetico terrestre, e pannelli separatori di luce. Tutti i PMT lavorano simultaneamente per catturare la luce di scintillazione prodotta dalle interazioni dei neutrini all’interno dello scintillatore e convertirla in segnali elettrici. Durante la costruzione, sono stati ottenuti numerosi traguardi senza precedenti, come un PMT ad alte prestazioni caratterizzato da un design innovativo, sia per la struttura sia per l’amplificazione elettronica. Tra le altre conquiste tecnologiche si annoverano la realizzazione una copertura a prova di esplosione e impermeabile per proteggere i PMT; il già menzionato sistema di purificazione ad alta efficienza che produce scintillatore radiopuro con una lunghezza di attenuazione della luce superiore a 20 metri; un’innovativa elettronica sottomarina, con un’affidabilità di grado aerospaziale ottenuta utilizzando componenti disponibili commercialmente.
La vita scientifica di JUNO si estenderà per almeno 30 anni, con un possibile potenziamento dell’apparato successivo alla misura di ordinamento di massa.
JUNO è un progetto con elevato grado di internazionalizzazione, gestito in Cina dall’Istituto IHEP con cui l’INFN vanta una lunga tradizione di cooperazione, e che coinvolge più di 700 ricercatori e ricercatrici provenienti da 74 Istituzioni in 17 paesi e regioni. L’INFN vi partecipa con le sezioni di Catania, Ferrara, Milano, Milano Bicocca, Padova, Perugia, Roma Tre e con i Laboratori Nazionali di Frascati.
