SCIENZA E RICERCA

L'esperimento Cuore restringe la ricerca del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini

L'esperimento CUORE, Cryogenic Underground Observatory for Rare Events, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare è arrivato ad una tappa importante: il team scientifico internazionale che da alcuni anni sta cercando di osservare il rarissimo processo del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, teorizzato ma mai dimostrato, ha portato a termine più di due anni di presa dati, da aprile 2017 a luglio 2019, e i risultati sono caratterizzati da un elevato livello di precisione grazie all’uso di tecnologie sempre più avanzate e di un nuovo e sofisticato algoritmo. Riuscire a osservare questo decadimento, che sarebbe l'esito di una reazione in cui un nucleo atomico decade emettendo due neutroni e nessun neutrino, porterebbe a dimostrare che il neutrino è l’antiparticella di se stesso, come aveva ipotizzato nel 1937 il famoso fisico italiano Ettore Majorana. E i meccanismi di creazione della materia, gli stessi che sono stati alla base della formazione dell’universo, potrebbero diventare meno indecifrabili.

Nella comunicazione che ha accompagnato la diffusione dei dati l'INFN ha spiegato che "nonostante il segnale distintivo del doppio decadimento beta senza neutrini non sia stato ancora evidenziato, i nuovi dati forniscono un limite due volte migliore rispetto a quello precedentemente pubblicato sulla frequenza di tale processo nei nuclei di tellurio-130, contenuto nei cristalli di CUORE. Questo risultato a sua volta può essere interpretato come un margine più stretto sul valore della massa del neutrino di Majorana, che sarebbe inferiore a un decimo di elettronvolt, ovvero circa 5 milioni di volte più leggera di quella di un elettrone".

Per capire meglio in quale fase si trova l'esperimento e quali sono i prossimi passaggi abbiamo intervistato Luca Taffarello, tecnologo della sezione di Padova dell'INFN e membro del team di scienziati di CUORE.

 

Riprese e montaggio di Barbara Paknazar

"L’Istituto nazionale di fisica nucleare - spiega Luca Taffarello - è dotato di varie sezioni nelle varie università ed ha vari laboratori: uno a Legnaro, vicino a Padova, uno a Frascati, uno a Catania e uno al Gran Sasso. Il laboratorio del Gran Sasso è per certi aspetti un laboratorio unico al mondo perché è il più grande laboratorio sotterraneo e il fatto che sia sotterraneo permette di fare degli studi molto sensibili, di fenomeni che ancora non conosciamo in tutti i loro dettagli della natura. Uno di questi fenomeni è capire la massa del neutrino e se il neutrino è uguale alla sua antiparticella, oppure no. Tecnicamente si dice se il neutrino è di tipo Dirac o di tipo Maiorana".

Per provare a dare queste risposte "La collaborazione Cuore ha realizzato un grosso criostato, uno strumento rivelatore, presso il laboratorio del Gran Sasso e lo ha realizzato per cercare di capire se questa massa del neutrino si può pesare oppure no. Il problema è spiegare come si può pesare. Molti aspetti del rivelatore Cuore si possono capire dal suo acronimo: Cuore sta per Cryogenic, quindi freddo, Underground, sottoterra, Observatory, rivelatore, Rare Events, per eventi rari, quindi per qualcosa che capita molto di rado e con molta difficoltà.

A questa collaborazione stanno lavorando circa 100 persone, il 60% sono italiani e nella restante parte sono per la maggioranza americani e una piccola quota di francesi e cinesi. "Con questo obiettivo - prosegue Luca Taffarello - è stata messa a punto una collaborazione internazionale che, a partire dal 2005-2006 quando ci sono stati i primi finanziamenti, ha costruito un rivelatore, realizzato con circa 1000 cristalli cubici di 5 cm di lato che vengono raffreddati a una temperatura dell’ordine di 10 millikelvin, quindi un centesimo di grado kelvin, vicino allo zero assoluto. Questa è una temperatura estremamente bassa, tanto è vero che nel 2014, in fase di definizione del comportamento di questo criostato che è un grande frigorifero, eravamo usciti con un’altra press release dichiarando che avevamo ottenuto il metro cubo più freddo dell’universo.

Quanto alla possibilità di arrivare a osservare il fenomeno del decadimento senza emissione di neutrini, il tecnologo dell'INFN chiarisce che l'aspetto tecnologico del raffreddamento è "solamente un aspetto necessario per raggiungere la sensibilità che ci permette di poter dire se riusciamo a pesare il neutrino oppure no. Dal 2014, quando avevamo dichiarato che il sistema funzionava dal punto di vista criogenico, abbiamo poi allestito i vari rivelatori e adesso siamo molto felici perché, dopo un certo periodo di comprensione dello strumento e di superamento di difficoltà tecnologiche, abbiamo chiuso una campagna dati relativa a un periodo di analisi di 2 anni con un’efficienza molto alta, dell’ordine del 90%. Lo strumento adesso funziona in modo egregio e continuativo. Questo ci permette anche di pensare ai prossimi sviluppi per strumenti più sensibili: sfortunatamente non abbiamo ancora misurato la massa ma abbiamo un limite superiore e questo limite superiore è interessante perché può essere applicato agli altri fenomeni che riguardano i neutrini ma non è ancora definito perché dobbiamo migliorare la sensibilità dello strumento. Questo passerà attraverso l’evoluzione di Cuore che si chiama Cupid, CUORE Upgrade with Particle Identification, che permetterà di migliorare di un fattore 100, di due ordini di grandezza, la sensibilità.

"Il motivo per cui siamo felici che in questo momento lo strumenti funzioni bene - prosegue il tecnologo dell'INFN della sezione di Padova - è che andando a vedere fenomeni molto rari, e che non possiamo controllare e generare, noi dobbiamo tenere sotto osservazione questa tonnellata di diossido di tellurio continuativamente. E, sapendo che lo strumento funziona bene, tutto quello che viene osservato ci permette di fare un’analisi efficace e di poter migliorare questo upper limit. Quindi personalmente, ma soprattutto come collaborazione, siamo entusiasti di questo risultato che sostanzialmente dimostra che l’obiettivo dell’esperimento, che era stato definito più di dieci anni fa, è stato raggiunto. Adesso l’esperimento può concludere i suoi circa cinque anni di presa dati, che era il periodo stabilito, e questo ci permette di concentrarci sui possibili sviluppi di un nuovo rivelatore più sensibile che comunque verrà allestito all’interno dello stesso criostato presso i laboratori nazionali del Gran Sasso dell’INFN.

Un ulteriore motivo di soddisfazione arriva dagli aspetti che riguardano Cuore e che sono stati realizzati all’interno della sezione dell’INFN di Padova e del dipartimento di Fisica, sempre di Padova. Luca Taffarello li ha illustrati nel dettaglio: "Io sono stato molto orgoglioso che intorno al 2008 colui che a quel tempo era il responsabile di questo tipo di ricerca, il professore emerito Ettore Fiorini dell’università Milano-Bicocca, mi abbia invitato a entrare in questa collaborazione principalmente per gestire il punto freddo, il dito freddo del sistema di refrigerazione. Qui (nel video n.d.r.) vedete un esempio molto simile al dito freddo di Cuore, la parte finale che raffredda il rivelatore, questo è uno strumento appena riparato che adesso verrà utilizzato in un altro criostato al Laboratorio nazionale di Legnaro per la ricerca di assioni nell’esperimento QUAX. L’aspetto importante è che questi sistemi permettono il mantenimento della temperatura per lunghi periodi ed era una cosa necessaria visto che CUORE deve vedere eventi rari e deve quindi restare in funzione per un lungo tempo. L’ulteriore aspetto importante è che la temperatura sia stabile perché il comportamento dei cristalli, e quindi dei rivelatori, è influenzato dalla variazione di temperatura, visto che noi alla fine andiamo a vedere un incremento di temperatura dovuto all’energia depositata dall’evento di doppio beta senza neutrini. Quindi aver ottenuto il risultato non solo di aver raggiunto la temperatura di 10 millikelvin ma di averla anche stabilizzata era una prerogativa richiesta che è stata soddisfatta". 

A differenza del passato, oggi queste macchine hanno anche un potenziale di utilizzo che va oltre l'ambito strettamente scientifico. "Adesso - spiega Luca Taffarellonon sono più realizzate solo per la curiosità di noi fisici e quindi per la realizzazione di strumenti molto sensibili che sostanzialmente non avevano applicazioni immediate. Ora infatti trovano applicazione anche nel quantum computing, perché per questi computer quantici è utile avere una bassa temperatura e una grossa potenza refrigerante in modo tale da mantenerli freddi e per lungo periodo. Quindi siamo passati dalla realizzazione di queste macchine per puro motivo scientifico e di curiosità a un’applicazione di più ampio spettro, anche se ancora in evoluzione".

Tornando nello specifico agli ultimi risultati dell'esperimento CUORE Luca Tafferello si è poi soffermato sul filtro che ha permesso di amplificare i segnali dei rivelatori e allo stesso tempo eliminare il rumore di fondo. "Grazie all’aiuto del collaboratore Antonio Branca - ha concluso il tecnologo dell'INFN - la sezione di Padova ha messo a punto il filtro Optimum: si tratta un filtro che, attraverso la sua applicazione, permette di togliere una parte del rumore nella raccolta dei dati e quindi rendere più chiaro e più evidente il segnale rispetto al rumore stesso. Il filtro precedente aveva dei dati anche a media e alta energia, mentre il filtro attuale può analizzare anche eventi rari a più bassa energia, ma soprattutto elimina possibili sorgenti di rumore nella parte di analisi dove noi vogliamo vedere l’evento doppio beta decade. Sommando quindi i due aspetti, l’hardware e il software, la sezione INFN di Padova, in collaborazione con il dipartimento di Fisica, penso che possa a buon diritto ritenersi contenta e orgogliosa dei risultati perché così anche i prossimi anni di presa dati saranno affidabili perché saranno freddi e per analizzati, eliminando possibili sorgenti di rumore. Unendo il buon funzionamento del sistema di raffreddamento e il protocollo di analisi che permette di essere più sensibili siamo molto più fiduciosi di prima di poter riuscire a osservare in modo affidabile l’evento, nel caso in cui avvenisse, nei nostri dati. E questo ci spinge anche a sviluppare nuovi rivelatori più sensibilli perché, se miglioreremo la sensibilità, potremo ulteriormente sondare energie, cioè masse del neutrino più basse e quindi dare o limiti più stringenti o finalmente arrivare a definire la massa del neutrino".

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