Città della scienza in Giappone: alla scoperta di Super-Kamiokande, il più grande rilevatore di neutrini al mondo
Cercare (e trovare) importanti risposte sulla materia e sul funzionamento dell’universo dalle viscere di una montagna? Può apparire bizzarro se non si padroneggia la fisica, ma è esattamente quello che fa il Super-Kamiokande, a Hida, in Giappone. Scopriamo il rilevatore di neutrini più grande al mondo, che ha trasformato un vecchio villaggio minerario in un’autentica città della scienza.
Nella prima metà del Novecento, i tunnel che affondano nella roccia del monte Ikeno-yama, in Giappone, ospitavano una prolifica quanto inquinante miniera. Da decenni ormai, sono invece destinati alla ricerca nel campo della fisica, in particolare per intercettare e comprendere le particelle elementari. È esattamente questo che fa il Super-Kamiokande, una sorta di mastodontica macchina fotografica per neutrini alta come un palazzo di 14 piani. Chiamato anche Super-K, questo strumento di rilevazione è il fiore all’occhiello dell’Osservatorio di Kamioka; un polo scientifico che ha reso questo paese montano compreso nella cittadina di Hida, nella prefettura di Gifu, una vera e propria città della scienza.
Per quanto possa sembrare assurdo ai non avvezzi alla fisica delle particelle, le profondità di una montagna sono il luogo ideale per un rilevatore di neutrini come questo, il cui nome è l’acronimo di Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment. Queste particelle elementari, infatti, sono talmente piccole e talmente veloci, da attraversare qualsiasi cosa incontrino. Persone, edifici, montagne, persino interi pianeti: non c’è nulla che possa arrestarne la corsa. Al contrario, l’infinità di altre particelle che circolano nello spazio, non riescono a penetrare i 1.000 metri di roccia sotto i quali è posizionato il Super-Kamiokande. In sostanza, il monte Ikeno-yama funge da enorme ed efficace filtro naturale, rendendo possibile l’esperimento.
Come funziona il Super-K?
Il Super-Kamiokande non è il solo rilevatore di neutrini al mondo, dunque cosa lo rende tanto speciale? Innanzitutto le dimensioni. A oggi è il più grande nel suo genere: il corpo dello strumento è un cilindro in acciaio che misura 41,4 metri di altezza e 39,3 di diametro. Eppure si sta lavorando alla realizzazione di un rilevatore formato da due cilindri da 250 metri di lunghezza e 40 di diametro. Sarà pronto nel 2027 e, non a caso, si chiamerà Hyper-Kamiokande.
La tecnologia condensata nel gigantesco cilindro è però ben più intrigante delle sue semplici dimensioni. Gli elementi chiave per poter osservare le particelle elementari sono due: l’acqua e i tubi fotomoltiplicatori. Della prima, purissima, il Super-K ne contiene 50.000 tonnellate. I secondi sono dei sensori di luce ultrasensibili, teoricamente in grado di rilevare una candela accesa sulla superficie della luna; sono oltre 11.000 e rivestono l’intera superficie interna del serbatoio.
Dato che le particelle elementari che si cercano di analizzare con questo esperimento non sono direttamente osservabili, l’intero apparato punta a rilevarne l’interazione con le molecole di acqua. In pratica ci si affida a quella minuscola probabilità che un neutrino passi attraverso l’acqua, per catturare le conseguenze dell’incontro e dedurre da queste le caratteristiche della particella di passaggio. Come? Per via di un effetto conosciuto come radiazione di Čerencov, quando viene colpita dai neutrini, l’acqua crea dei flebili lampi di luce. Ed è proprio qui che entrano in gioco i tubi fotomoltiplicatori, pronti a immortalare qualsiasi “scia” dei neutrini.
Il fascino e l’efficacia di questa città della scienza
Affascinante, non è vero? E le immagini che ritraggono l’interno di questo strumento lo sono almeno altrettanto. Sembra qualcosa di sfuggito a un film di fantascienza: è come l’interno di un hangar ricoperto di grandi lampadine a incandescenza spente. L’effetto ottico che si crea annulla il senso di profondità, facendolo percepire quasi smisurato e disorientando la mente. D’altro canto, tranne che per le operazioni di manutenzione, le uniche cose autorizzate a stare nel Super-Kamiokande sono l’acqua e le particelle elementari.
Ben più importanti del fascino estetico, sono i risultati scientifici ottenuti dall’Osservatorio di Kamioka. A testimoniarli ci sono innanzitutto i premi Nobel per la fisica assegnati a Masatoshi Koshiba, nel 2002, e a Takaaki Kajita, nel 2015. Il secondo, in particolare, è stato conferito per una scoperta che potrebbe aver aperto la via a una nuova era della scienza. Senza addentrarsi nei dettagli più tecnici, basti dire che si è dimostrato che i neutrini hanno una massa, seppur infinitesimale. Ciò a dispetto di quanto postulato nel Modello Standard, teoria di riferimento nella fisica delle particelle, che li ha sempre ritenuti privi di massa. Un autentico ribaltamento di prospettiva.
Tra gli altri risultati di rilievo vi è stata anche l’intercettazione di neutrini solari, che ha confermato l’emissione di queste particelle da parte del sole. Senza contare che grazie al Super-K sappiamo molto più che in passato sulle supernove, le esplosioni stellari più catastrofiche dell’universo. L’ultima frontiera? Indagare l’antimateria, in particolare gli antineutrini, per svelare i misteri che continuano tutt’oggi ad avvolgerla.