La ricerca proposta ha lo scopo di studiare la nucleazione omogenea che si verifica nei liquidi surriscaldati impiegati nella rivelazione di particelle in conseguenza dei rinculi nucleari che producono il rilascio localizzato di una quantità di energia almeno pari all'energia "critica" richiesta per la formazione di una bolla di vapore avente un certo raggio "critico", superato il quale la bolla di vapore è in grado di svilupparsi autonomamente e divenire rilevabile visivamente.
Al riguardo, per quanto il problema sia studiato da oltre sessant'anni, ad oggi la determinazione dell'energia critica non è univoca, dal momento che diversi autori propongono di utilizzare termini diversi per esprimerla; ed anche la valutazione del raggio critico della bolla di vapore, che riveste un ruolo fondamentale per il calcolo dell'energia critica, non è sempre eseguita allo stesso modo dai vari ricercatori. D'altra parte, le diverse equazioni rintracciabili in letteratura per il calcolo del raggio critico e dell'energia critica soffrono di inconsistenze più o meno marcate, conducendo in vari casi a valori decisamente sottostimati rispetto a quelli osservati sperimentalmente.
In questo contesto, viene proposta una ricerca teorico-sperimentale volta alla definizione di una coppia di equazioni per il calcolo del raggio critico oltre il quale una bolla di vapore è in grado di accrescersi spontaneamente e dell'energia critica che, per effetto di un rinculo nucleare, deve essere rilasciata affinchè si abbia nucleazione omogenea all'interno di un liquido surriscaldato, in funzione del tipo di fluido, della sua temperatura, o pressione, e del suo grado di metastabilità. La verifica sperimentale delle nuove equazioni proposte sarà condotta utilizzando un rivelatore attualmente installato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso ed eseguendo, in parallelo, la simulazione numerica delle prestazioni del rivelatore stesso mediante applicazione del metodo Monte Carlo.
L'innovatività della ricerca proposta è strettamente correlata al fatto che, attualmente, la determinazione dell'energia critica e del raggio critico di nucleazione omogenea in un liquido surriscaldato non è univoca, anche in considerazione del fatto che le relazioni di calcolo comunemente utilizzate soffrono di inconsistenze più o meno marcate, come già fatto osservare nel primo paragrafo relativo all'inquadramento della ricerca proposta in ambito nazionale ed internazionale.
Per ciò che riguarda l'energia critica, le numerose relazioni reperibili in letteratura possono essere sostanzialmente ricondotte a quelle proposte da Pless e Plano [1], Seitz [2], Bugg [3], Norman e Spiegler [4], Tenner [5], Peyrou [6] e Bell et al. [7] nell'arco di tempo compreso tra il 1956 ed il 1974. Viceversa, per quanto concerne il raggio critico, sono comunemente impiegate le relazioni originariamente riportate nel 1939 da Volmer [8] e nel 1963 da Tenner [5].
In particolare, nell'ambito della dosimetria per radioprotezione viene generalmente suggerito di fare riferimento all'espressione del raggio critico proposta da Volmer e, per il calcolo dell'energia critica, alle formule di Peyrou -si veda, ad esempio, Harper e Rich [9] e Das e Sawamura [10]- e di Bell e coautori -si veda, ad esempio, d'Errico [11] e Roy [12].
Viceversa, nell'ambito delle ricerche condotte sulla materia oscura la Collaborazione COUPP/PICASSO/PICO, impegnata da diverso tempo nella rilevazione delle WIMPs per mezzo di liquidi surriscaldati [13-15], nonché gruppi di ricerca ad essa correlati -si veda, ad esempio, DiGiovine et al. [16] e Baxter et al. [17]-, utilizzano la formula di Bugg per il calcolo dell'energia critica e la formula di Tenner per il calcolo del raggio critico. A tal proposito, sembra interessante osservare che i dati sperimentali ottenuti sono sempre risultati decisamente superiori alle previsioni dell'energia critica derivanti dall'applicazione della combinazione delle equazioni di Bugg e Tenner, dell'ordine del 100% per C3F8 (Amole et al. [18]), del 120% per CF3I (Amole et al. [15]) e del 130% per Xenon (Baxter et al. [17]).
Appare dunque evidente che le relazioni correntemente in uso non sono particolarmente adatte ad eseguire valutazioni di sensibilità dei rivelatori a liquidi surriscaldati, comportando l'assoluta necessità di eseguire misure di calibrazione diretta. D'altra parte, una previsione più aderente alla realtà dell'energia critica di nucleazione omogenea consentirebbe un utilizzo senz'altro più affidabile del metodo Monte Carlo per la selezione di una serie di soluzioni prototipali dei rivelatori, tra le diverse simulate, con un abbattimento dei costi e dei tempi di sviluppo.
Per quanto sopra illustrato, le potenzialità di realizzare un avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte sono insite nell'innovatività dello studio proposto. A tal proposito, si ritiene che il raggiungimento degli obiettivi elencati nel precedente paragrafo possa contribuire a colmare la lacuna di conoscenza ad oggi esistente sull'argomento oggetto della presente ricerca.
Riferimenti bibliografici
[1] I. A. Pless and R. J. Plano, Rev. Sci. Instr. 27 (1956) 935-937.
[2] F. Seitz, Phys. Fluids 1 (1958) 2-13.
[3] D. V. Bugg, Progr. Nucl. Phys. 7 (1959) 2-52.
[4] A. Norman and P. Spiegler, Nucl. Sci. Eng. 16 (1963) 213-217.
[5] A. G. Tenner, Nucl. Instr. Meth. 22 (1963) 1-42.
[6] Ch. Peyrou, in Bubble and Spark Chambers, Academic Press, New York (1967).
[7] C. R. Bell et al., Nucl. Sci. Eng. 53 (1974) 458-465.
[8] M. Volmer, Kinetik der Phasenbildung, Steinkopff, Dresden und Leipzig (1939).
[9] M. J. Harper and J. C. Rich, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 336 (1993) 220-225.
[10] M. Das and T. Sawamura, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 531 (2004) 577-584.
[11] F. d'Errico et al., Radiat. Prot. Dos. 70 (1997) 109-112.
[12] S. C. Roy, Radiat. Phys. Chem. 61 (2001) 271-281.
[13] S. Archambault et al. (PICASSO Collaboration), New J. Phys. 13 (2011) 043006.
[14] E. Behnke et al. (COUPP Collaboration), Phys. Rev. D 88 (2013) 021101(R).
[15] C. Amole et al. (PICO Collaboration), Phys. Rev. D 93 (2016) 052014.
[16] B. DiGiovine et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 781 (2015) 96-104.
[17] D. Baxter et al., Phys. Rev. Lett. 118 (2017) 231301.
[18] C. Amole et al. (PICO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 231302.