Ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Infn è il giorno dell’esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), il più grande rivelatore criogenico mai costruito, concepito per studiare le proprietà dei neutrini. Nei primi due mesi di presa dati, l’esperimento ha funzionato con una precisione straordinaria, soddisfacendo pienamente le aspettative dei fisici che lo hanno realizzato. Grazie alla notevole precisione raggiunta in questa prima fase, CUORE – sottolinea l’Infn – è già riuscito a restringere significativamente la regione in cui cercare il rarissimo fenomeno del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, principale obiettivo scientifico dell’esperimento. Il doppio decadimento beta – spiega l’Infn – è un processo nel quale, all’interno di un nucleo, due neutroni si trasformano in due protoni, emettendo due elettroni e due antineutrini. Nel doppio decadimento beta senza emissione di neutrini non vi è invece emissione di neutrini, grazie al fatto che uno degli antineutrini si è trasformato, all’interno del nucleo, in neutrino. Le particelle dotate di carica elettrica non possono subire questa trasformazione perché implicherebbe la violazione di uno dei principi base che descrivono il comportamento delle particelle elementari. In effetti, il Modello Standard delle interazioni fondamentali prevede che ciò valga anche per i neutrini, malgrado tali particelle non siano elettricamente cariche. Ma i neutrini potrebbero essere particelle davvero speciali.
Se, come ipotizzato negli anni ’30 del secolo scorso dal fisico italiano Ettore Majorana, i neutrini e gli antineutrini fossero due manifestazioni della stessa particella, come le due facce di una stessa moneta, la transizione tra materia e antimateria risulterebbe allora possibile. Rivelare questo processo consentirebbe non solo di determinare la massa dei neutrini, ma anche di dimostrare la loro eventuale natura di particelle di Majorana, fornendo una possibile spiegazione alla prevalenza della materia sull’antimateria nell’universo. “Questa è solo l’anteprima di ciò che uno strumento di queste dimensioni è in grado di fare” commenta Oliviero Cremonesi, ricercatore Infn, docente all’ e responsabile scientifico dell’esperimento. “Abbiamo grandi aspettative per il futuro. Nei prossimi cinque anni, infatti, CUORE registrerà una quantità di dati 100 volte superiore a quelli acquisiti in questo primo periodo di attività” conclude Cremonesi. “CUORE ha rappresentato un’incredibile sfida tecnologica il cui successo apre la strada a sviluppi impensati fino a pochi anni fa” dichiara Carlo Bucci, responsabile nazionale Infn e coordinatore tecnico dell’esperimento. “Grazie alle sue eccezionali caratteristiche è anche uno dei luoghi più freddi di tutto l’universo”.
Il rivelatore di CUORE è un gigante di 741 chili realizzato con una tecnologia basata su cristalli cubici ultrafreddi di tellurite progettati per funzionare a temperature bassissime: 10 millesimi di grado sopra lo zero assoluto (-273,15 °C). La sua struttura è formata da 19 torri costituite ciascuna da 52 cristalli di tellurite purificata da qualunque contaminante. La più ardita sfida tecnologica affrontata dall’esperimento è stata la realizzazione del criostato in grado di mantenere a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto le 19 torri sospese al suo interno. L’esperimento lavora in condizioni ambientali di estrema purezza, in particolare di bassissima radioattività. Il criostato è, infatti, schermato dalla pioggia di particelle che provengono dal cosmo sia dai 1400 metri di roccia del massiccio del Gran Sasso sia da uno speciale 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. Anche gli altri componenti del rivelatore, come ad esempio i supporti in rame che sostengono le torri, sono stati preparati in condizioni di bassissima radioattività e sono stati assemblati evitando qualsiasi contatto con l’aria per impedire contaminazioni provenienti dall’ambiente.
La costruzione di CUORE ha richiesto oltre dieci anni di lavoro. Prima di completare CUORE i ricercatori hanno costruito un prototipo chiamato Cuore-0, composto da un’unica torre in funzione dal 2013 al 2015 i cui primi risultati sono stati annunciati nell’aprile 2015. “Progettare e costruire CUORE è stata un’avventura straordinaria e vederlo in funzione è una grandissima soddisfazione” sottolinea Ettore Fiorini, fisico dell’INFN che per primo ha proposto l’esperimento nel 1998. “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”. CUORE è supportato dall’Infn in Italia, e dal Department of Energy’s Office of Nuclear Physics, dalla National Science Foundation, e dall’Alfred P. Sloan Foundation negli Stati Uniti. La collaborazione include circa 150 scienziati dall’Italia, la Cina, la Francia, la Spagna, gli Stati Uniti. Per l’Italia partecipa l’Infn con le sezioni di Bologna, Genova, Milano Bicocca, Padova e Roma1, oltre ai Laboratori Nazionali di Frascati, del Gran Sasso e di Legnaro. A queste si aggiungono le Università di Bologna, Genova, Milano Bicocca e Sapienza di Roma.