NUCLEUS, l’esperimento di diffusione coerente elastica neutrino-nucleo in centrale nucleare
NUCLEUS è un esperimento a bassissime temperature, in criogenia, che ricerca e studia l’interazione di scattering (diffusione) elastico neutrino-nucleo (CEνNS). Prevista dal Modello Standard della fisica delle particelle nel 1973, il processo CEνNS è stato osservato sperimentalmente solo nel 2017, a causa della piccola energia di rinculo nucleare, prodotta come unico effetto dall’interazione. Questa interazione nucleare permette di studiare le proprietà dei neutrini e di cercare segnali di nuova fisica che vadano oltre il Modello Standard.
I reattori nucleari per la produzione di energia elettrica, sono fonti promettenti per l’esplorazione di questo processo a basse energie, in quanto producono grandi flussi di anti-neutrini con energie tipiche dell’ordine di pochi MeV. NUCLEUS è una collaborazione che coinvolge Germania, Francia, Italia e Austria. La prima fase dell’esperimento utilizza rivelatori criogenici con una soglia di bassissima energia, senza precedenti, di circa 20 eV. L’esperimento sta per partire all’interno del complesso della centrale nucleare di Chooz, in Francia, a 72 metri e 102 metri di distanza dai due core nucleari da 4,25 GWth.
Il sito ove posa NUCLEUS (Very-Near-Site, VNS) ha un’eccellente breve baseline dalla sorgente di neutrini, consentendo di studiare la sezione d’urto dell’interazione di scattering CeνNS, con una precisione del 20%, e ciò in meno di un anno di raccolta dati, come prima fase sperimentale. La seconda fase mira invece a migliorare la precisione della sezione d’urto fino all’1%, aumentando le dimensioni del bersaglio e riducendo le incertezze nelle misure del flusso e nello spettro energetico dei neutrini.
L’installazione di NUCLEUS presso il VNS consiste in un criostato contenente i rivelatori bersaglio circondati da una schermatura passiva e attiva (compreso uno schermo freddo all’interno del criostato). Lo strato più esterno è caratterizzato da un apparato di “veto” attivo, per i muoni, che copre un’area di circa 1 metro quadrato. La sezione INFN di Roma Tor Vergata è coinvolta nella simulazione, nell’analisi e nell’interpretazione dei dati, e nello sviluppo di elettronica per l’apparato di veto attivo criogenico al germanio (COV). Durante la fase di commissioning del 2024, presso il laboratorio sotterraneo UGL della Technische Universität di Monaco di Baviera (TUM), è stato condotto un “long background run” (LBR). Dopo questa fase, l’impianto sperimentale sarà trasferito alla centrale nucleare di Chooz, dove l’esperimento sarà esposto al flusso di neutrini del reattore nucleare.