CONUS+: A Caccia di Neutrini Fantasma nel Cuore del Reattore – La Sfida del Fondo Radioattivo

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un’avventura scientifica affascinante, nel cuore pulsante di una centrale nucleare, alla ricerca di particelle quasi impossibili da catturare: i neutrini. Nello specifico, stiamo parlando dell’esperimento CONUS+, il nostro nuovo capitolo nella caccia a un fenomeno elusivo chiamato scattering elastico coerente neutrino-nucleo (CEνNS).

La Sfida del CEνNS e l’Eredità di CONUS

Immaginate una particella così sfuggente da attraversare indisturbata quasi tutta la materia. Questi sono i neutrini. Rilevare la loro interazione con la materia è una sfida enorme, ma fondamentale per capire a fondo il Modello Standard della fisica delle particelle. Il CEνNS è un tipo particolare di interazione, predetto decenni fa ma osservato solo di recente. Noi, con il progetto CONUS originale, condotto presso la centrale nucleare tedesca di Brokdorf (KBR), avevamo già stabilito il limite più stringente per la rilevazione di CEνNS da un reattore. Ma KBR ha chiuso i battenti alla fine del 2021, e la nostra caccia doveva continuare!

Così è nato CONUS+: abbiamo trovato una nuova “casa” presso la centrale nucleare di Leibstadt (KKL) in Svizzera. Qui, a soli 20.7 metri dal nocciolo del reattore da 3.6 GW, il flusso di antineutrini è pazzesco: parliamo di (1.5 times 10^{13}) particelle per secondo su ogni centimetro quadrato! Per catturare la debolissima firma del CEνNS, useremo quattro sofisticatissimi rivelatori al germanio ultrapuro (HPGe) di tipo “point-contact”, capaci di vedere segnali energetici bassissimi, intorno ai 160 eV(_{ee}).

Il Nemico Invisibile: Il Fondo Radioattivo

Ma c’è un “ma”, un grosso “ma”. Lavorare così vicino a un reattore significa immergersi in un ambiente “rumoroso”, pieno di radiazioni di fondo. Questo fondo è il nostro principale avversario, perché alcuni suoi componenti possono mascherarsi da segnali di neutrino, soprattutto quelli che variano insieme alla potenza termica del reattore. Pensate ai neutroni che sfuggono dal nocciolo: possono colpire i nostri rivelatori creando un rinculo nucleare simile a quello che cerchiamo. Capire e caratterizzare questo fondo in ogni dettaglio è, quindi, assolutamente cruciale.

La Campagna di Misure a KKL: Mappare il Campo di Battaglia

Prima ancora di installare i nostri preziosi rivelatori CONUS+, ci siamo imbarcati in una vera e propria campagna di caratterizzazione del fondo a KKL, proprio come avevamo fatto a KBR. Dovevamo sapere esattamente cosa ci aspettava. La nostra nuova “stanza dei bottoni”, chiamata tecnicamente ZA28R027, si trova a circa 25 metri sopra il livello del suolo, all’interno dell’edificio del reattore. Abbiamo esplorato diversi punti all’interno di questa stanza per trovare la posizione ottimale.

Abbiamo monitorato le condizioni ambientali: umidità (stabile intorno al 50%), pressione (tra 968 e 984 mbar), e temperatura. Quest’ultima era un po’ alta (media 29°C), e considerando il calore prodotto dalla nostra elettronica, abbiamo installato un sistema di condizionamento per mantenerla stabile a 22°C. Anche le vibrazioni, potenziali disturbatrici, sono state misurate: un po’ più intense sul piano orizzontale rispetto al laboratorio, ma fortunatamente con un impatto trascurabile sui nostri rivelatori.

A Caccia di Raggi Gamma: Il Detective CONRAD

Uno dei protagonisti della nostra campagna è stato il rivelatore HPGe “CONRAD”. Lo abbiamo piazzato, senza schermature, in vari punti della stanza per misurare lo spettro dei raggi gamma fino a energie molto alte (11 MeV). Sotto i 2.7 MeV, come previsto, dominano le firme della radioattività naturale presente nei materiali circostanti (cemento, ecc.), con linee caratteristiche delle catene di decadimento del Torio, dell’Uranio e del Potassio-40. Ma abbiamo notato anche un’intensa presenza di Cobalto-60 ((^{60})Co), un isotopo artificiale, con intensità che variavano a seconda della posizione.

Sopra i 2.7 MeV, lo scenario cambia: qui troviamo quasi esclusivamente raggi gamma “prompt”, prodotti dalla cattura di neutroni da parte dei materiali strutturali del reattore (Silicio, Calcio nel cemento; Ferro nell’acciaio). Queste emissioni sono direttamente correlate alla potenza del reattore, perché dipendono dai neutroni che sfuggono dal nocciolo. La buona notizia? Confrontando i dati con quelli di KBR, abbiamo scoperto che questo fondo gamma ad alta energia, potenzialmente problematico, è ben 26 volte più basso nella nostra nuova location a KKL! Questo è dovuto principalmente alla maggiore distanza dalle tubature del ciclo di raffreddamento primario, dove si forma l’isotopo (^{16})N, un forte emettitore gamma.

Polvere Contaminata: La Minaccia Nascosta

Non basta guardare la radiazione “sfusa”. C’è anche il rischio della contaminazione superficiale: polvere radioattiva che può depositarsi ovunque, anche sui componenti ultra-puliti dei nostri rivelatori durante l’assemblaggio. Un piccolo errore qui potrebbe compromettere tutto! Per quantificare questo rischio, abbiamo eseguito dei “wipe test”, strofinando piccole aree di pavimento e muri con tamponi speciali, sia a KKL che nel vecchio sito KBR.

Abbiamo analizzato questi tamponi con spettrometri gamma a bassissimo fondo nel nostro laboratorio. I risultati? Composizioni diverse nei due siti: a KKL domina il (^{60})Co e il Manganese-54 ((^{54})Mn), mentre a KBR c’erano (^{60})Co, Cesio-137 ((^{137})Cs) e tracce di altri isotopi. Tutti prodotti di fissione o attivazione neutronica. Le attività superficiali misurate sono relativamente basse, ma abbiamo fatto un test: mettendo un tampone del pavimento di KKL su un rivelatore simile ai nostri, il fondo nella regione di interesse è aumentato di un fattore da 4.5 a 8.7! Questo dimostra quanto sia fondamentale lavorare in modo pulito: pulizia accurata delle superfici, trasporto dei componenti avvolti in plastica, assemblaggio in ambiente controllato e con guanti. Fortunatamente, i test sul setup CONUS smontato a KBR hanno confermato che queste misure sono efficaci nel mantenere la radiopurezza per anni.

Pioggia Cosmica: I Muoni e la Copertura

Vivendo sulla superficie terrestre, siamo costantemente bombardati da particelle cosmiche, principalmente muoni. Anche se l’edificio del reattore offre una certa schermatura (chiamata “overburden”), una parte di questi muoni arriva fino a noi. Per misurare quanti, abbiamo usato un piccolo rivelatore a scintillatore liquido.

Confrontando le misure a KKL con quelle fatte in superficie, abbiamo calcolato un overburden medio di 7.4 metri di acqua equivalente (m w.e.). È significativamente meno dei 24 m w.e. che avevamo a KBR. Questo significa che il flusso di muoni a KKL è quasi il doppio rispetto a KBR (107 muoni al secondo per metro quadro contro un valore circa 4.5 volte inferiore a KBR rispetto alla superficie). Meno copertura significa anche più neutroni prodotti dai muoni stessi quando interagiscono con i materiali circostanti (come il piombo del nostro scudo). Stimiamo che questi neutroni indotti da muoni siano 2.3 volte più numerosi a KKL rispetto a KBR. Questa è una delle ragioni per cui abbiamo modificato lo scudo di CONUS+, aggiungendo un secondo sistema di veto attivo anti-muone.

Neutroni, Neutroni Ovunque: Misure Dirette e Simulazioni

I neutroni sono una delle nostre maggiori preoccupazioni. Per misurarne direttamente lo spettro energetico, abbiamo collaborato con il Paul Scherrer Institut (PSI), utilizzando un sistema chiamato Bonner Sphere Spectrometer (ERBSS). Si tratta di sensori di neutroni termici usati “nudi” o circondati da sfere di polietilene di diverso diametro, che moderano i neutroni veloci rendendoli rilevabili.

Durante il funzionamento del reattore (“reactor on”), abbiamo misurato un flusso di neutroni non uniforme nella stanza, ma chiaramente correlato alla potenza termica del reattore. Analizzando i dati dalle diverse sfere, abbiamo ricostruito lo spettro energetico: è dominato da neutroni termici (circa il 75% sotto 0.4 eV), ma il flusso totale è risultato essere ben 30 volte più alto rispetto a KBR! Un valore enorme, ((2.3 pm 0.1) times 10^{4}) neutroni al giorno per centimetro quadro. Fortunatamente, le nostre simulazioni indicano che, nonostante questo numero impressionante, l’impatto di questi neutroni da reattore sulla regione energetica di interesse per il segnale CEνNS è trascurabile, molto al di sotto del segnale atteso.

E quando il reattore è spento (“reactor off”)? Qui entrano in gioco i neutroni cosmogenici (prodotti dai raggi cosmici nell’atmosfera e nei materiali) e quelli indotti dai muoni. Le misure dirette erano difficili a causa del basso flusso e del poco tempo. Ci siamo quindi affidati a simulazioni dettagliate, usando il framework MaGe basato su Geant4. Abbiamo simulato la propagazione dei neutroni cosmici esterni attraverso la struttura del reattore e la produzione di neutroni da parte dei muoni misurati. Risultato: il flusso di neutroni a reattore spento a KKL è di circa (28.2 ± 5.3) neutroni al giorno per centimetro quadro, circa 2 volte superiore a KBR, come ci si aspetta dalla minore copertura. La componente più problematica qui sono i neutroni cosmogenici ad alta energia (> 20 MeV), che secondo le simulazioni contribuiscono significativamente al fondo nella nostra regione di interesse. Stiamo studiando come mitigare questo contributo.

Conclusioni: KKL vs KBR e la Via per CONUS+

Questa intensa campagna di caratterizzazione ci ha fornito un quadro dettagliato del nuovo ambiente di CONUS+ a KKL e delle sue differenze rispetto a KBR. Riassumendo:

• Overburden e Muoni: Molto minore a KKL (7.4 vs 24 m w.e.), quindi più muoni e più neutroni indotti da muoni.
• Radon: Livelli simili in entrambi i siti, gestibili con flussaggio di aria priva di radon.
• Raggi Gamma: Radioattività naturale simile; (^{60})Co più presente a KKL; fondo gamma ad alta energia correlato al reattore 26 volte inferiore a KKL.
• Contaminazione Superficiale: Isotopi diversi, rischio gestito con procedure di pulizia rigorose.
• Neutroni: Flusso da reattore 30 volte superiore a KKL (ma impatto basso sul segnale); flusso cosmogenico 2 volte superiore a KKL (componente importante del fondo).

Queste scoperte sono state fondamentali. Ci hanno permesso di:

1. Ottimizzare lo scudo di CONUS+: Abbiamo ridotto leggermente lo spessore del piombo (da 25 a 20 cm), dato il minor fondo gamma ad alta energia, e usato lo spazio guadagnato per inserire un secondo veto muonico, necessario per contrastare il maggior flusso di muoni a KKL.
2. Identificare il fondo dominante: I neutroni cosmogenici ad alta energia sono ora il nostro principale “rumore” da affrontare.
3. Confermare la sicurezza rispetto ai segnali “falsi”: Abbiamo dimostrato che le componenti di fondo correlate alla potenza del reattore (neutroni e gamma prompt) hanno un impatto trascurabile sulla regione di interesse del segnale CEνNS.
4. Ribadire un punto cruciale: Ogni sito sperimentale vicino a un reattore è unico! Non si può semplicemente estrapolare il fondo da un luogo all’altro. Una caratterizzazione dedicata e dettagliata, come quella che abbiamo fatto noi, è indispensabile per interpretare correttamente i dati di esperimenti così sensibili.

Il nostro lavoro di “detective del fondo” a KKL è stato un passo essenziale. Ora, con una comprensione profonda del nostro ambiente e uno scudo ottimizzato, siamo pronti per iniziare la vera e propria caccia ai neutrini con CONUS+. La sfida è grande, ma la potenziale scoperta lo è ancora di più!

Fonte: Springer