L’esperimento CUORE e i nuovi risultati nella ricerca del neutrino di Majorana

(Foto: Yuri Suvorov/Collaborazione Cuore)

Le ricercatrici e i ricercatori dell’esperimento CUORE, situato ai Laboratori Nazionali dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) collocati nel cuore del Gran Sasso hanno pubblicato su Science i nuovi risultati dell'indagine sulla natura del neutrino.

CUORE è tra gli esperimenti più sensibili al mondo per lo studio di un processo nucleare chiamato “doppio decadimento beta senza emissione di neutrini”. Questo processo è possibile solo se neutrino e antineutrino sono la stessa particella, così come postulato da Ettore Majorana alla fine degli anni ‘30 del secolo scorso.

I modelli cosmologici ad oggi più accreditati presuppongono infatti che materia e antimateria debbano essere state create in quantità uguali. Di conseguenza, l'universo dovrebbe essere composto da quantità uguali di entrambe. Oggi sappiamo però che nell’universo osservabile c’è una preponderanza di materia sull’antimateria. E questo suggerisce la presenza di un'asimmetria fondamentale nelle proprietà di materia e antimateria.

Se i neutrini si rivelassero fermioni di Majorana, ovvero indistinguibili dalle loro antiparticelle, potrebbero contribuire a risolvere questo dilemma. E il processo più promettente, anche se non l’unico, per determinare la natura di Majorana del neutrino è senza ombra di dubbio il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini.

Per rilevare questo decadimento, l'esperimento CUORE utilizza quasi mille cristalli di ossido di tellurio purissimo, del peso complessivo di oltre 700 chili, ed è mantenuto a temperature vicine allo zero assoluto grazie all’utilizzo di un criostato a diluizione appositamente realizzato per questo esperimento. Il volume complessivo del rivelatore è di un metro cubo circa ed è per questo motivo che il rivelatore di CUORE è stato definito “il metro cubo più freddo dell'universo”.

CUORE è entrato in funzione nel 2017 e dal 2019 ad oggi ha ininterrottamente raccolto dati, con un ciclo di funzionamento superiore al 90%, raccogliendo il più grande set di dati del suo genere.

L’esperimento non ha ancora rilevato prove di doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, ma ha fissato un nuovo limite alla frequenza con cui si potrebbe verificare il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini in un atomo di tellurio: non più di una volta ogni 35 milioni di miliardi di miliardi di anni. Si tratta del limite più stringente mai raggiunto per questo fenomeno nel tellurio.

L’estrema sensibilità del rivelatore di CUORE ha permesso di registrare però anche altre attività, che costituiscono un sottofondo di rumore di disturbo alle misure stesse dell’esperimento. Tra queste, è stato rilevato addirittura il pulsare delle onde che si infrangono sulla costa del mare, a 50 chilometri di distanza dal Gran Sasso.

L'origine di questi flebili rumori che si manifestano a bassissime frequenze è stata ricondotta all’attività microsismica marina del Tirreno e dell’Adriatico grazie ad una ricerca ideata e sviluppata dal gruppo di CUORE dell'Università di Bologna e della Sezione di Bologna dell’INFN, attualmente coordinato da Stefano Zucchelli, professore al Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi”.

Lo studio, iniziato nel contesto della fisica dei neutrini, è diventato altamente interdisciplinare, con il coinvolgimento di diversi studiosi del Dipartimento di Fisica e Astronomia: Alberto Armigliato e Silvia Castellaro del settore di Geofisica della terra solida, Marco Zavatarelli del settore Oceanografia meteorologia e climatologia, Silvana Di Sabatino e Paolo Ruggieri del settore di Fisica del sistema Terra, dei pianeti, dello spazio e del clima e Leo Aragão della Fondazione CMCC, oltre a studiosi dell'INGV di Bologna e dell'INGV dell’Aquila, e al contributo della SARA Electronic Instruments di Perugia.

La strumentazione e l’infrastruttura di analisi sviluppate a CUORE non solo hanno portato a risultati competitivi a livello mondiale, ma comprovano come la calorimetria criogenica di grandi volumi sia una via estremamente promettente per i futuri esperimenti dedicati alla ricerca del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini.

Tra questi, c'è l'esperimento CUPID (CUORE Upgrade with Particle Identification), il successore di CUORE, già in avanzata fase di sviluppo, che ne riutilizzerà l’infrastruttura criogenica e sarà oltre dieci volte più sensibile. Un progetto che vede anche in questo caso la partecipazione del gruppo di studiosi bolognesi, impegnati in un'attività di ricerca e sviluppo di trasduttori termici criogenici, in collaborazione con l’Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati (ISMN) del CNR di Bologna e con l’IMEM di Parma.

CUORE è una collaborazione internazionale che coinvolge oltre 20 istituzioni. L’esperimento, operativo presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, è guidato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e dal Department of Energy (DOE) degli Stati Uniti, attraverso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley, California).