CUORE, il gigante freddo per svelare i segreti dei neutrini

ATTUALITÀ – Un gigantesco cuore freddo per studiare le proprietà dei neutrini con una precisione straordinaria e mai raggiunta prima. Si tratta di CUORE, Cryogenic Underground Observatory for Rare Events, un rivelatore criogenico sviluppato dai ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN, e situato nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso. In appena due mesi di test il rivelatore è già riuscito a restringere le regione in cui cercare uno dei fenomeni più rari legati ai neutrini: il doppio decadimento beta, in cui non c’è emissione di queste particelle, che permetterebbe di determinarne la massa e di dimostrare la loro eventuale natura di particelle di Majorana.

Per dare la caccia ai neutrini, i ricercatori dell’INFN hanno realizzato un gigante di 741 chilogrammi con tecnologia basata sui cristalli cubici ultrafreddi di tellurite che funzionano a temperature prossime allo zero assoluto della scala Kelvin, a circa meno 273,15° Celsius. La struttura di CUORE è formata da 19 torri costituite ognuna da 52 cristalli di tellurite purificata dagli eventuali contaminanti ed è stato realizzato un criostato in grado di mantenere le torri sospese all’interno a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto.

Inoltre l’esperimento lavora in condizioni ambientali di estrema purezza e soprattutto bassissima radioattività, grazie al fatto che il criostato è schermato dalla pioggia di particelle che provengono dal cosmo sia dai 1400 metri di roccia del Gran Sasso, sia da uno scudo protettivo realizzato grazie alla fusione di lingotti di piombo recuperati da una nave romana affondata oltre 2000 anni fa, al largo delle coste della Sardegna. Per i ricercatori è stato importante operare in condizioni di bassissima radioattività anche per le altre componenti del rivelatore, come per esempio i supporti in rame che sostengono le torri, e che sono stati assemblati evitando qualsiasi contatto con l’aria per evitare contaminazioni provenienti dall’ambiente.

L’obiettivo dell’esperimento è osservare il doppio decadimento beta senza neutrini del Tellurio 130, uno degli isotopi di questo metalloide. Si tratta di una trasformazione nucleare estremamente rara in cui due neutroni del nucleo dell’elemento si trasformano in protoni, emettendo due elettroni e due antineutrini. Nel doppio decadimento beta l’assenza di emissione di neutrini indicherebbe che uno degli antineutrini si è trasformato, all’interno del nucleo, in un neutrino.

L’assenza di queste particelle ne confermerebbe l’appartenenza alle particelle di Majorana, ipotizzate proprio dal fisico Ettore Majorana negli anni Trenta. Si tratta di particelle che come le due facce di una stessa moneta sono allo stesso tempo particella e antiparticella. Se così fosse, la transizione tra i due tipi di materia risulterebbe allora possibile e il fenomeno, seppure oggi molto raro, avrebbe potuto essere frequente nell’universo subito dopo il Big Bang e questo spiegherebbe la prevalenza della materia sull’antimateria.

La prima fase di rodaggio del rivelatore criogenico si è conclusa già con un successo, ma si tratta solo di un’anteprima di quello che CUORE è in grado di fare e le aspettative per il futuro sono altissime, come sottolinea Oliviero Cremonesi, responsabile scientifico dell’esperimento e ricercatore INFN. Nei prossimi 5 anni l’esperimento registrerà una quantità di dati 100 volte superiori a quelli che sono stati acquisiti in questa fase del test. Per Carlo Bucci, coordinatore tecnico di CUORE, si tratta di un’incredibile sfida tecnologica che apre a sviluppi impensati fino a pochi anni fa: “Grazie alle sue eccezionali caratteristiche è anche uno dei luoghi più freddi di tutto l’universo”.

La tecnologia di CUORE è unica al mondo e la costruzione dell’esperimento ha richiesto oltre 10 anni di lavoro alla collaborazione internazionale formata da oltre 150 scienziati provenienti da 25 istituzioni prevalentemente italiane e americane. Prima del rivelatore criogenico, i ricercatori dell’INFN hanno costruito un prototipo chiamato CUORE-0 composto da una sola torre che ha raccolto dati tra il 2013 e il 2015, anno in cui i primi risultati sono stati annunciati. Ettore Fiorini, fisico dell’INFN che per primo ha proposto l’esperimento nel 1998, ha spiegato: “Progettare e costruire CUORE è stata un’avventura straordinaria e vederlo in funzione è una grandissima soddisfazione. L’idea di utilizzare rivelatori termici per la fisica del neutrino ha richiesto decenni di lavoro e lo sviluppo di tecnologie che oggi vengono applicate anche in settori molto distanti dalla fisica delle particelle elementari”.

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