Il travagliato progetto statunitense sui neutrini deve affrontare un futuro incerto e nuove opportunità e notizie e ricerche

Facendo esplodere e perforando un labirinto di tunnel nella miniera d’oro abbandonata di Homestake nel South Dakota, gli ingegneri si stanno preparando per l’installazione del Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), l’ultimo e più grande progetto di fisica delle particelle degli Stati Uniti. Ma le cose non stanno procedendo come previsto: le battute d’arresto legate alla costruzione hanno ritardato il debutto su vasta scala di DUNE dalla fine di questo decennio fino, nella migliore delle ipotesi, alla metà degli anni ’30. E, poiché il programma di DUNE è scivolato, anche la sua competitività con altri esperimenti sui neutrini, ha portato il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ad annunciare lo scorso autunno la sua controversa decisione di dividere il megaprogetto in due fasi.

Questo approccio in due fasi, sperano i fisici delle particelle negli Stati Uniti, aiuterà questo progetto di punta in declino a tenere il passo con i rivali, creando allo stesso tempo uno spazio di respiro per reimmaginare le fasi successive del suo design. “Il vero successo potrebbe non essere esattamente sulla stessa strada che pensavamo 10 anni fa”, afferma Kate Scholberg, una sperimentatrice della Duke University.

Insieme alla Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), DUNE cerca di interrogare le particelle più sfuggenti nel Modello standard della fisica delle particelle, che molti sospettano siano un portale verso qualunque teoria venga dopo. Ma l’anno scorso, il prezzo del megaprogetto è stato rivalutato a oltre 3 miliardi di dollari solo per la prima fase, circa il doppio della stima originale per l’intera impresa.

Lo scavo di 800.000 tonnellate di roccia corta per fare spazio a quattro potenti moduli di rilevamento si è rivelato più complicato del previsto. “Ipotesi errate o stime premature” sulle condizioni della miniera significavano che le infrastrutture dovevano essere ristrutturate prima che potessero iniziare gli scavi, ha affermato un portavoce del DOE. Anche il costo di installazione dei rivelatori è stato sottovalutato. Di conseguenza, l’attivazione di LBNF/DUNE è stata ritardata di diversi anni e il progetto deve essere riaffermato dal Congresso data l’entità del superamento del budget.

Ora, mentre i fisici delle particelle si riuniscono per Snowmass, un processo con riunioni periodiche per smantellare le priorità di ricerca del prossimo decennio negli Stati Uniti, alcuni hanno sollevato lo spettro che LBNF/DUNE potrebbe arrivare secondo, o addirittura terzo, nel raggiungimento di alcuni dei suoi obiettivi scientifici motivanti . “Come possiamo cambiare il modo in cui pensiamo a DUNE per raggiungere quegli obiettivi e altro ancora, o anche meglio?” chiede Jonathan Asaadi, uno sperimentatore dell’Università del Texas ad Arlington. “Il punto centrale del processo Snowmass è avere queste discussioni molto difficili e quindi creare consenso”.

Dai neutrini alla nuova fisica

I neutrini sono, senza dubbio, gli abitanti più strani del vasto e variegato bestiario della fisica delle particelle: sono di tre tipi, ma in qualche modo oscillano tra queste diverse forme mentre viaggiano. Ciò è sorprendente, poiché i neutrini possono oscillare solo se hanno massa, una proprietà che è in conflitto con le previsioni del Modello Standard, altrimenti di grande successo. Sin dalla scoperta di questo comportamento di mutaforma nel 1998, i fisici hanno lottato per stabilire esattamente come oscillano i neutrini e rimangono tre misurazioni mancanti di parametri cruciali.

Il primo e più noto parametro, la violazione della parità di carica (CP), determina se i neutrini e le loro controparti antiparticellare oscillino allo stesso modo e potrebbe aiutare a spiegare perché nell’universo c’è più materia che antimateria. Il secondo determina quali sono i tipi di neutrini più pesanti e quali sono i più leggeri. E il terzo è legato alla probabilità che un tipo di neutrino si trasformi in un altro tipo. I fisici hanno inventato LBNF/DUNE una decina di anni fa, durante un precedente jamboree di Snowmass, come un modo per misurare tutto questo e altro ancora.

Le motivazioni erano più o meno le stesse per l’esperimento giapponese sui neutrini Hyper-K, una camera sotterranea ancora più grande che è piena d’acqua invece dell’argon liquido di DUNE. Hyper-K mira a misurare rigorosamente la violazione di CP alla fine degli anni 2020, prima che il raggio di neutrini ora ritardato di LBNF/DUNE si accenda. Nel frattempo, le combinazioni di diversi esperimenti sui neutrini più piccoli, in particolare IceCube, JUNO e KM3NeT, dovrebbero pesare su questi e altri enigmi di neutrini di lunga data nel prossimo decennio. “DUNE corre un rischio molto serio di non misurare prima questi parametri”, afferma Asaadi. “Storicamente, i grandi progetti in Giappone sono stati in grado di rispettare il loro programma con molta più fedeltà rispetto a molti grandi progetti statunitensi”.

Eppure Asaadi e molti altri sottolineano che questi esperimenti sono collaboratori tanto quanto concorrenti. “Stiamo tutti facendo il tifo l’uno per l’altro e facendo il tifo l’uno contro l’altro allo stesso tempo”, afferma Mark Messier, uno sperimentatore che ha lavorato su Super-K (il predecessore di Hyper-K) come studente laureato e ora lavora su DUNE e altri rivelatori di neutrini.

Per uno, qualsiasi scoperta deve essere confermata da un altro esperimento indipendente da prendere sul serio. “Per il bene della scienza, non ci interessa davvero chi riceve la risposta”, afferma André Luiz De Gouvêa della Northwestern University. “Ma non vuoi avere una grande differenza di tempo tra i progetti… Un progetto può rubare il tuono a un altro.” E sebbene i fisici di intelligenza possano accettare l’importanza della convalida invece di essere i primi a una scoperta, il concetto di arrivare al “secondo posto” è una vendita più difficile per i politici che detengono i cordoni della borsa.

Inoltre, la nuova fase di LBNF/DUNE potrebbe essere ciò che alla fine mantiene il progetto sano e competitivo. “Ti assicuri di ottenere risultati, piuttosto che lasciare che tutto ritardi mentre aspetti la scala reale”, afferma Gabriel Orebi Gann dell’Università della California, Berkeley. “L’unico modo per garantire di perdere la gara non è nemmeno correre.”

Eppure questo approccio comporta un nuovo rischio: i finanziamenti per la seconda fase non sono assicurati. “Le persone sono invitate a pensare alla fase due ea cosa sta portando in tavola un po’ più attentamente di prima”, dice de Gouvêa. “Vuoi assicurarti di avere una buona storia da raccontare, per convincere te stesso e tutti gli altri che la fase due è un investimento utile.”

Fallacia dei costi irrecuperabili o opportunità d’oro?

Poiché i progetti su larga scala come LBNF/DUNE sono aumentati negli ultimi cinque anni, il Congresso ha aumentato di quasi il 30% il budget complessivo del DOE per la fisica delle alte energie. I finanziamenti per la ricerca di base nelle università e per la ricerca e lo sviluppo su nuove tecnologie di acceleratori e rivelatori, tuttavia, sono diminuiti. La nuova fase di LBNF/DUNE mira a riequilibrare il bilancio, ha affermato un portavoce del DOE. “La comunità deve davvero essere seria su quali sono le scadenze e gli obiettivi ragionevoli”, afferma Asaadi, altrimenti il ​​megaprogetto potrebbe “risucchiare tutta l’aria dalla stanza”.

Tutto questo sta accadendo durante un periodo turbolento per l’ospite della LBNF/DUNE, il Fermi National Accelerator Laboratory (Femilab). Lo scorso autunno, il direttore del Fermilab, Nigel Lockyer, si è dimesso per ragioni sconosciute. Poco dopo il Fermilab ha anche ricevuto una rara “C” dal DOE nella sua Report Card per la gestione di progetti scientifici e tecnologici.

Nonostante l’incertezza, attenersi allo scopo originale di LBNF/DUNE è per molti ancora un gioco da ragazzi. “È difficile immaginare un singolo esperimento di oscillazione del neutrino migliore”, afferma Peter Denton, teorico dei neutrini al Brookhaven National Laboratory. A differenza di altri esperimenti, il fascio di neutrini sonderebbe un’ampia gamma di energie, ottenendo così un quadro più completo di come oscillano i neutrini. I rivelatori riempiti con argon liquido possono anche tracciare i percorsi delle particelle in modo molto più preciso rispetto a quelli contenenti acqua. “La tecnologia dell’argon liquido è difficile, ma otteniamo qualcosa per quella difficoltà”, afferma Denton. La speranza è che questa nuova e ambiziosa configurazione non solo mapperà le oscillazioni dei neutrini ad alta risoluzione, ma che potrebbero apparire segni di nuove particelle e forze e che i fisici possano finalmente cogliere l’origine sconcertante della massa dei neutrini.

Per questi motivi, nel 2014, la comunità della fisica delle particelle si è radunata dietro nuovi rivelatori di argon liquido su rivelatori d’acqua provati e testati, e la maggior parte dei fisici dei neutrini non vede alcun motivo per cambiare. “C’è un forte sostegno all’interno della comunità per [LBNF/DUNE] accada”, afferma Orebi Gann. Eppure nei documenti interni visti da Scientifico americanoun attuale co-portavoce di DUNE si è candidato con successo alle elezioni all’inizio di quest’anno sulla base del fatto che “LBNF/DUNE sta attualmente riscontrando una scarsa accettazione nel [high-energy physics] comunità… sfidando seriamente il futuro di DUNE.

Quasi tutti sono d’accordo sul fatto che con i miliardi di dollari già stanziati per il megaprogetto, dagli Stati Uniti e dai partner internazionali, non si torna indietro. “L’errore del ‘costo irrecuperabile’ è sempre presente quando sei così lontano dalla strada”, dice Asaadi. I luminari della comunità della fisica delle particelle sono perseguitati dalla cancellazione del Superconducting Super Collider, un acceleratore di particelle multimiliardario, all’inizio degli anni ’90. Il Congresso ha ritirato i fondi dopo che il budget è aumentato a dismisura ed è stata rivelata una spesa dubbia per feste costose e pranzi con catering. Di conseguenza, “la fisica delle particelle si è spostata in Europa”, afferma Francis Halzen, ricercatore principale dell’esperimento sui neutrini IceCube. “Speriamo che tutti abbiano imparato che uccidendo un progetto, i soldi non tornano a te, e nemmeno alla scienza”.

D’altronde, sostenere indiscutibilmente un grande progetto le cui aspirazioni del “primo al mondo” potrebbero non essere più realizzabili comporta anche dei rischi. “Siamo in un catch-22. La cancellazione di DUNE sarebbe un occhio nero per la credibilità della fisica delle alte energie”, ha detto una fonte anonima e membro della collaborazione DUNE Scientifico americano. “Dobbiamo trovare una via d’uscita, e la via d’uscita non è ovvia.”

Tutti insieme ora

Agli incontri di Snowmass, è ora in corso un atto di equilibrio per riunire risolutamente i fisici delle particelle attorno a LBNF/DUNE, con alcuni che ritraggono il design appena introdotto come un’opportunità per trasformare i limoni in limonata. Oltre ad aggiornare il fascio di neutrini e le dimensioni del rivelatore, la seconda fase lascia indefiniti anche due dei quattro moduli di DUNE — e nuove idee sono benvenute. “C’è molta eccitazione a riguardo e molte idee creative per i nuovi rivelatori”, afferma Scholberg, che co-convoca il gruppo prioritario di fisica dei neutrini per l’ultimo Snowmass, che continua per tutta l’estate.

Le intuizioni teoriche degli ultimi anni hanno aperto la porta a nuovi tipi di ricerche sulla materia oscura su LBNF/DUNE, mentre i rivelatori da determinare potrebbero anche ospitare un esperimento di “doppio decadimento beta senza neutrini” per cercare prove che i neutrini siano la loro stessa antiparticella . Anche i rivelatori di supernove potenziati e la ricerca di misteriosi neutrini sterili sono sul tavolo per riempire i due slot del rivelatore aperti. “Se allarghi quella collaborazione [to other areas of physics]questo sta attirando più persone che possono farlo accadere”, afferma Jocelyn Monroe, uno sperimentatore della materia oscura alla Royal Holloway, Università di Londra.

Altri preferiscono raddoppiare le migliori ambizioni mondiali di DUNE, dando la priorità ai progressi nella progettazione dei rivelatori e nelle tecniche di analisi che normalmente non sarebbero considerati in una corsa a venire per primi. “Molte buone idee tendono a essere respinte perché DUNE è ‘on rail’: deve funzionare e deve essere fatto questo modo”, dice Asaadi. Una nuova proposta, chiamata THEIA, combina un rivelatore a base d’acqua, come Hyper-K, insieme a un rivelatore a “scintillazione” più simile a DUNE, per sfruttare i vantaggi di entrambi gli approcci.

Tra i fisici, sembra esserci un accordo universale su una cosa: la posta in gioco nel trasformare l’errore dei costi irrecuperabili di DUNE in un’opportunità è alta. “Quello su cui stiamo davvero lavorando molto duramente in questo momento è cercare di stabilire tutte queste connessioni con il resto della comunità di Snowmass”, dice Scholberg. Le discussioni continueranno per tutta l’estate e poi alimenteranno le decisioni del Particle Physics Project Prioritization Panel, un gruppo consultivo federale degli Stati Uniti, che l’anno prossimo deciderà se DUNE/LBNF rimarrà un progetto di punta negli Stati Uniti. “Dobbiamo assicurarci che tutti siano a bordo”, afferma de Gouvêa. “L’incertezza è negativa per un progetto a lungo termine perché le persone devono investire gran parte del loro tempo su di esso… Non vuoi che lo sforzo sia vano”.

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