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Laboratori Nazionali del Gran Sasso INFN

BOREXINO

Borexino è un esperimento di fisica delle particelle situato nella Sala C dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, a circa 150 km nord-est di Roma. Borexino è un rivelatore a scintillatore liquido di grandi dimensioni il cui scopo primario è lo studio delle proprietà di neutrini solari a bassa energia. Gli eccezionali livelli di radiopurezza raggiunti da Borexino nel corso degli anni hanno reso possibile non solo il raggiungimento degli obbiettivi di ricerca principali ma anche la produzione di numerosi risultati di valore nell’ambito della geofisica e in quello dello studio dei cosiddetti processi rari o proibiti.

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SITO WEB ESPERIMENTO BOREXINO
Nel corso dei passati decenni, le proprietà della particella subatomica detta neutrino sono state studiate da diversi esperimenti con diverse tecniche. Borexino è uno dei rivelatori di neutrini tra i più avanzati mai costruiti e, a partire dal 2007, sta raccogliendo i dati forniti da un’intensa sorgente naturale di neutrini: la stella del nostro sistema solare, il Sole.
Il Sole è alimentato da reazioni nucleari altamente efficienti governate dalla cosiddetta interazione nucleare debole. Il risultato di una tipica catena di reazioni di fusione protone-protone, all’interno del nucleo del Sole, può essere espressa come:
4p → ⁴He + 2e⁺ + 2νₑ
ed è una reazione dove quattro protoni si fondono generando una particella alfa, due positroni e, per l’appunto, due neutrini (ν). Insieme a queste particelle è inoltre rilasciata un’energia E pari a 26 MeV (Mega electron volts). Il Sole è una sorgente di neutrini molto potente: si pensi che, ogni secondo, circa 6 x 1010 neutrini provenienti dal sole colpisco un centimetro quadro di Terra! I processi di fusione che generano neutrini, fotoni ed energia solare hanno luogo nella parte più interna del Sole.

I fotoni impiegano milioni di anni per raggiungere la superficie del Sole, i neutrini invece sono in grado di attraversare tutta la materia della nostra stella (essenzialmente idrogeno ed elio) e arrivare sulla superficie della Terra in circa 8 minuti. I neutrini riescono, infatti, a viaggiare alla velocità della luce grazie ad una loro peculiare caratteristica: la bassissima (~ 10-46 cm2) capacità di interazione con la materia (detta sezione d’urto). La maggior parte dei neutrini attraversa il Sole e la Terra quasi senza interagire.
Ed è unicamente all’interno di grandi rivelatori come Borexino che una massiccia compensazione tra un numero piccolissimo (la sezione d’urto, 10-46 cm2) e uno incredibilmente grande (il flusso di neutrini solari, ~ 1010 cm-2 s-1) ha luogo, risultando in un numero ancora relativamente piccolo (~ 10-36 interazioni per secondo per unità di bersagli) che può però essere ragionevole nel momento in cui in numero di bersagli è molto alto. In Borexino, vi sono 1300 tonnellate di scintillatore (equivalenti a circa 1030 bersagli) e 2400 tonnellate di acqua.

 

 

Uno scintillatore è un materiale che emette luce quando è attraversato da una particella subatomica carica come ad esempio un elettrone. La rivelazione di neutrini in Borexino è realizzata utilizzando gli elettroni dello scintillatore liquido come bersaglio secondo la reazione:

ν + e⁻ → ν + e⁻

in cui i neutrini colpiscono gli elettroni del materiale. Mentre l’elettrone a sinistra dell’equazione è in pratica a riposo, quello a destra riceve energia dal neutrino interagente ed è quindi in grado di generare un segnale di scintillazione (della luce) in taluni materiali speciali, detti scintillatori. In Borexino questo lampo di luce viene rivelato dai 2200 fotomoltiplicatori che essenzialmente sono proprio sensori di luce: la rivelazione di impulsi di luce da parte del sistema di fotomoltiplicatori è la firma inequivocabile del passaggio di un neutrino. Lo studiare lo spettro dei neutrini solari è però tutt’altro che semplice.
Il fondo radiativo è un grande problema sperimentale e rende la rivelazione di neutrini molto difficile. Il fondo ha diverse componenti (o origini) ma le principali sono la radioattività dei materiali del rivelatore stesso, dell’ambiente in cui il rivelatore è costruito e i raggi cosmici.

 

 

Nella regione energetica sotto 1 MeV, gli esperimenti possono essere seriamente compromessi dal fondo radiativo. In particolare, il fondo da raggi cosmici impone che questi esperimenti abbiano luogo in laboratori sotterranei: ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, lo spessore medio della roccia sovrastante è di circa 1400 m e riduce (rispetto alla superficie) di un fattore 106 il flusso di muoni. Per meglio comprendere la difficoltà della misura, si pensi che il segnale di neutrini solari da 7Be atteso in 100 tonnellate dello scintillatore di Borexino è circa 10-9 Bq/Kg mentre della normale acqua in natura è caratterizzata da contaminazioni dell’ordine di 10 Bq/Kg in 238U, 232Th e 40K.
Borexino è stato specificatamente progettato per lo studio dei neutrini solari a bassa energia. Il successo di Borexino arriva come risultato di 15 anni di ricerca in cui, sviluppando le migliori tecniche di purificazione dello scintillatore, la collaborazione è riuscita non solo a raggiungere ma a migliorare ampiamente i limiti di radiopurezza richiesti. Attualmente Borexino è il luogo meno radioattivo del mondo!
L’esperimento Borexino ha cominciato a raccogliere dati nel 2007. Da allora, ha prodotto un considerevole numero di risultati scientifici tra cui la prima spettroscopia diretta dei neutrini solari dalla reazione protone-protone, la misura di precisione del tasso di interazione dei neutrini solari da 7Be (errore inferiore al 5%), la prima misura diretta del flusso di neutrini solari p-e-p, e la misura del tasso di interazione dei neutrini solari da 8B a bassa soglia energetica. Oltre ai risultati in ambito solare, Borexino ha anche pubblicato risultati significativi in altri campi della fisica come, ad esempio, la prima osservazione di anti-neutrini terrestri (i cosiddetti geoneutrini) e numerosi limiti su processi rari o proibiti.
L’esperimento Borexino è gestito da una collaborazione internazionale di circa 100 scienziati provenienti dall’Italia (Sezioni INFN e Università di Milano, Ferrara, Genova, Perugia, Napoli, Laboratori Nazionali del Gran Sasso e Politecnico di Milano), dalla Francia (APC Parigi), dalla Germania (TUM Monaco, TU Dresda, Juelich e Mainz), dalla Russia (JINR Dubna, Università Lomonosov Mosca, Kurchatov Institute Mosca e NPI S. Pietroburgo), dalla Polonia (Università Jagellonica), dal Regno Unito (London), dall’Ucraina (Kiev INR) e dagli Stati Uniti (Università di Princeton, Massachusetts Amherst, e Virginia Polytechnic Institute).
Dettagli Collaborazione

Marco Pallavicini (INFN Genova)
Gioacchino Ranucci (INFN Milano)

INFN Genova: Alessio Caminata, Massimo Cariello, Stefano Davini, Lea Di Noto, Marco Pallavicini, Gemma Testera, Sandra Zavatarelli

INFN LNGS: Riccardo Biondi, Paolo Cavalcante, Attilio Di Giacinto, Valentino Di Marcello, Chiara Ghiano, Augusto Goretti, Aldo Ianni, Matthias Laubenstein, Massimo Orsini, Maria Teresa Ranalli, Alessandro Razeto, Nicola Rossi, Roberto Tartaglia

INFN Milano: Davide Basilico, Gianpaolo Bellini, David Bravo, Augusto Brigatti, Barbara Caccianiga, Davide D’Angelo, Marco Giammarchi, Paolo Lombardi, Emanuela Meroni, Lino Miramonti, Sergio Parmeggiano, Gioacchino Ranucci, Alessandra Re, Paolo Saggese

Università di Perugia, Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie: Fausto Ortica, Nicomede Pelliccia, Aldo Romani

INFN Ferrara: Giovanni Fiorentini, Fabio Mantovani, Barbara Ricci, Virginia Strati

CFDLab@Energy – Department of Energy – Politecnico di Milano: Fabio Inzoli, Riccardo Mereu

Università di Napoli: Yura Suvorov

AstroParticle & Cosmology Laboratory (APC): Davide Franco

Forschungszentrum Jülich: Zara Bagdasarian, Sindhujha Kumaran, Livia Ludhova, Luca Pelicci, Omer Penek, Mariia Redchuk, Giulio Settanta, Apeksha Singhal

JGU Mainz, Institut für Physik: Daniele Guffanti, Johann Martyn, Michael Nieslony, Vsevolod Orekhov, Alessio Porcelli, Michael Wurm

Technische Universität Dresden: Mikko Meyer, Jan Thurn, Kai Zuber

Technische Universität Muenchen: Matteo Agostini, Konrad Altenmueller, Simon Appel, Dominik Jeschke, Birgit Neumair, Lothar Oberauer, Laszlo Papp, Stefan Schoenert, Franz von Feilitzsch

M.Smoluchowski Institute of Physics Jagellonian University Krakow: Anna Jany, Marcin Misiaszek, Marcin Wojcik, Grzegorz Zuzel

JINR Dubna: Andrey Formozov, Oleg Smirnov, Albert Sotnikov, Alina Vishneva, Oleg Zaimidoroga

Kurchatov Institute: Victor Atroshchenko, Evgeny Litvinovich, Georgy Lukyanchenko, Liudmila Lukyanchenko, Igor Machulin, Radik Nugmanov, Georgy Raikov, Mikhail Skorokhvatov

Lomonosov MSU SINP: Alexander Chepurnov, Maxim Gromov

PNPI RAS Gatchina: Alexander Derbin, Ilia Drachnev, Ira Lomskaya, Valentina Muratova, Nelly Pilipenko, Dmitrii Semenov, Polina Shakina, Evgenii Unzhakov

University of London: Gyorgy Korga

INR Ukraine: Vladislav Kobychev

Princeton University: Jay Benziger, Frank Calaprice, Antonio Di Ludovico, XueFeng Ding, Cristiano Galbiati, Andrea Ianni, Lidio Pietrofaccia

University of Massachusetts, Amherst: Andrea Pocar

Virginia Polytechnical Institute: Bruce Vogelaar

G. Bellini et al., Nature, vol. 512, 383-386 (2014).
G. Bellini et al., Physical Review D, vol. 89, 112007 (2014).
G. Bellini et al., Physics Letters B, vol. 722, 295 (2013).
G. Bellini et al., Journal of High Energy Physics, vol. 8, 038 (2013).
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