CUORE

Alla ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini

Ettore Fiorini ci ha lasciato il 9 aprile 2023. Era nato a Verona il 19 aprile 1933. Dotato di una simpatia e di un garbo squisiti oltre che di una grande intelligenza, Ettore è certamente una leggenda nel mondo della scienza. Con lui perdiamo un padre della fisica italiana che ha cresciuto molte generazioni di scienziati che portano avanti la sua eredità.

Laureatosi con Giovanni Polvani, inizia subito a lavorare nel suo gruppo alla realizzazione di misure in alta montagna con camere di Wilson per lo studio della radiazione cosmica. Negli stessi anni manifesta già il suo amore per la ricerca del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini di cui può essere considerato uno dei precursori oltre che padre della tecnica dei diodi a Germanio. Conduce il primo esperimento a Torino, insieme ad Antonino Pullia utilizzando i primi prototipi di diodi al Germanio sviluppati a Ispra. Negli anni successivi inizia la sua collaborazione con il gruppo di Lagarrigue, dove apprende la tecnica delle camere a bolle. È sulla scorta di questa collaborazione che nasce Gargamelle, la camera a bolle a liquidi pesanti con la quale nel 1973 sarà uno degli attori principali della scoperta delle interazioni deboli neutre. Negli anni successivi, mentre continua la sua collaborazione con i colleghi del CERN, il suo spirito instancabile e la sua curiosità insaziabile lo spingono a cercare nuove tecniche per verificare sperimentalmente se proprietà fondamentali della natura, considerate ormai ovvie, siano vere oppure no: il numero leptonico e quello barionico, la carica elettrica oppure la stabilità dei costituenti della materia, elettroni e nucleoni. Propone così un esperimento a Legnaro per cercare la violazione della parità nei nuclei e, negli stessi anni è a capo di una collaborazione internazionale per la realizzazione di un esperimento per la ricerca del decadimento del nucleone nel traforo del Monte Bianco. NUSEX, così viene chiamato l’esperimento, rappresenta la prima applicazione dei tubi di Iarocci e, nonostante le dimensioni contenute (un cubo di circa 3 metri di lato), produce risultati competitivi rispetto a quelli degli esperimenti di punta del momento: IMB e Kamiokande. NUSEX rappresenta, inoltre, uno dei primi esperimenti condotti sotto terra, quando ancora laboratori veri e propri di questo tipo non esistevano in occidente. Nel 1979 ne sta tuttavia per nascere uno nuovo e dedicato alle ricerche di fisica fondamentale: Antonino Zichichi, allora Presidente INFN presenta infatti al Senato della Repubblica il “Progetto Gran Sasso”, approvato dal Parlamento con due leggi di finanziamento del 1982 e 1984.

Mentre NUSEX prende dati al garage 17 nel traforo del Monte Bianco, Ettore si fa quindi portavoce dell’interesse per il nuovo laboratorio abruzzese: inizia una campagna di misure di caratterizzazione del sito mentre ancora il laboratorio è in fase di scavo. Nel contempo realizza una nuova campagna di misure sul doppio decadimento beta del 76Ge al garage 27 del Monte Bianco impiegando due tra i primi diodi al Germanio prodotti commercialmente. L’esperimento può certamente essere considerato il capostipite di una lunga famiglia di esperimenti di dimensioni e sensibilità crescenti che, passando da Heidelberg-Moscow, IGEX, MJD e GERDA culminano oggi con la proposta di LEGEND 1000.

Nel 1986, quando i Laboratori del Gran Sasso non sono ancora ultimati, propone di installare un rivelatore a Xenon gassoso ad alta pressione (una camera multiproporzionale) in uno dei bypass autostradali prossimi ai laboratori. Entra quindi con il suo gruppo in uno dei primi grandi esperimenti proposti per i nuovi laboratori: GALLEX per la misura dei neutrini solari prodotti nelle reazioni di fusione pp. Il successo di questo esperimento, con la prima dimostrazione sperimentale dei meccanismi di produzione di energia nel sole dà un forte impulso ai laboratori del Gran Sasso che diventano il riferimento per gli esperimenti sotterranei per lo studio dei neutrini e la ricerca di eventi rari.

Negli stessi anni (è il 1984) Ettore propone di sviluppare una nuova tecnica, quella dei calorimetri a bassissima temperatura, da applicare a studi quali il doppio decadimento beta, la ricerca di materia oscura e la misura diretta della massa del neutrino. Al momento della proposta le masse dei rivelatori sono di qualche frazione di grammo e l’amico Frank Avignone III non si vergogna a definirla un’idea “folle”. Con la tenacia che lo caratterizza, Ettore decide che quella è non solo una tecnica percorribile, ma anche promettente. Nascono due linee di ricerca separate, una per lo sviluppo di bolometri di grande massa per lo studio del doppio decadimento beta, l’altra per la realizzazione di microbolometri per la determinazione della massa del neutrino. Dopo circa 20 anni di lavoro instancabile, nel 1998 Ettore propone insieme a Frank Avignone III la costruzione di CUORE, una matrice di circa 1000 bolometri con una massa totale dell’ordine di una tonnellata. La sua realizzazione inizierà solo una decina di anni più tardi, dopo il successo di Cuoricino, una versione più piccola dell’esperimento. CUORE è in presa dati al Gran Sasso dal 2017 e rappresenta, come spesso diceva Ettore, la realizzazione di uno dei suoi grandi sogni e anche la conclusione della sua avventura scientifica nella fisica delle particelle elementari anche se non ha mai smesso di sostenere gli sviluppi della tecnica che hanno portato alla proposta di CUPID, la versione di CUORE migliorata con l’impiego di bolometri scintillanti.

Dotato di un carattere garbato e di una simpatia innata, l’abbiamo sempre sentito dire di ciascun collega che era un suo grande amico. E in effetti Ettore ha saputo collaborare con scienziati di tutto il mondo e gestire le prime collaborazioni internazionali di una certa dimensione. Era anche uomo di grande cultura, aveva sempre pronta una citazione o un motto in latino e dilettava i suoi interlocutori con aneddoti e storielle.

I suoi rientri dalle vacanze o da missioni in giro per il mondo erano travolgenti, eccitatissimo con entusiasmo fanciullesco raccontava ai suoi collaboratori nuove idee o nuove proposte, trascinandoli in nuove avventure.

Professore emerito presso l’Università di Milano Bicocca, Ettore ha firmato diverse centinaia di lavori scientifici. È stato direttore della Sezione INFN di Milano e professore amato dai suoi studenti sia dell’Università di Milano che di Milano Bicocca. È stato tra i fondatori della Sezione INFN e del Dipartimento di Fisica di Milano Bicocca. Membro nazionale dell’Accademia dei Lincei dal 1988, si è dedicato con fervore a promuoverne le iniziative. È stato insignito di importanti riconoscimenti, come il Premio Feltrinelli per la scoperta delle correnti deboli neutre, il Premio Pontecorvo per gli studi sulla fisica del neutrino e la medaglia di Benemeriti della Scienza e della Cultura.

Ettore va anche ricordato per alcune sue “incursioni” in altri ambiti scientifici, come la fisica applicata all’ambiente, alla medicina e ai beni culturali. È stato tra l’altro co-direttore della scuola di fisica medica dell’Università di Milano per diversi lustri. Inoltre, sin dai tempi dell’incidente alla centrale nucleare di Chernobyl nel 1986, passando per gli incidenti minori in Spagna del ’98 sino ad arrivare all’incidente di Fukushima del 2011, Ettore ha sempre messo a disposizione della società la conoscenza e la strumentazione impiegate nella fisica delle particelle per valutare l’impatto che la dispersione di contaminanti radioattivi ha sulla salute dell'uomo e sull’ambiente.

Negli ultimi anni della sua attività ha coltivato la passione per l’archeometria, iniziata con il recupero di oltre mille lingotti di piombo antico di epoca romana, ritrovati da un subacqueo alla fine degli anni 80 al largo dell’isola di Mal di Ventre in Sardegna. Un ritrovamento eccezionale di una antica nave oneraria romana, affondata al largo della Sardegna oltre 2000 anni fa il cui carico, grazie al basso contenuto di radioattività (210Pb) poteva essere un elemento di eccezionale utilità negli esperimenti di fisica degli eventi rari. Ettore subito dopo aver letto la notizia sul Corriere è partito lancia in resta, coinvolgendo l’INFN e l’allora presidente Cabibbo, che sposò immediatamente l’idea di finanziare il recupero dei lingotti.

Da lì partirono tutta una serie di attività, come lo studio sui capelli di Napoleone e di suoi co-evi, per stabilire se l’imperatore fosse stato o meno avvelenato con l’arsenico, o come le misure dei rapporti isotopici del piombo per stabilire la provenienza di reperti archeologici del Sito nuragico di Sant’Imbenia (o della Lupa Capitolina).

In ognuna di queste attività Ettore univa l’entusiasmo del fanciullo, con cui trasmetteva energia positiva a tutti coloro che collaborano con lui, e la rigorosità del fisico sperimentale tipica delle ricerche in fisica delle particelle.

Ettore aveva uno sguardo capace di andare oltre le contingenze immediate e riusciva ad intuire la portata di un esperimento anche a livello di impatto sul grande pubblico.
Mancheranno la sua guida, le sue battute, gli aneddoti e la sua proverbiale intuizione di fisico sperimentale.

Come spesso amava ricordare lui stesso: dei compagni della nostra vita quando ci lasciano non dobbiamo dire “non ci sono più”, ma con riconoscenza “sono stati con noi” (Anton Cechov).

Comunicato stampa LNGS

Le ricercatrici e i ricercatori dell’esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) situato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) hanno pubblicato oggi, 6 aprile, su Nature i nuovi risultati sulla natura del neutrino, che dimostrano inoltre l'eccezionalità della tecnologia sviluppata, in grado di mantenere un rivelatore di oltre 700 kg a temperature vicine allo zero assoluto, per più di tre anni.

CUORE, che opera nel silenzio cosmico delle sale sperimentali sotterranee dei Laboratori del Gran Sasso, protetto da 1.400 metri di roccia, è tra gli esperimenti più sensibili al mondo per lo studio di un processo nucleare, chiamato doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, possibile solo se neutrino e antineutrino sono la stessa particella. Questo decadimento, se osservato, chiarirebbe per la prima volta il mistero della natura di Majorana del neutrino. I risultati di CUORE si basano su una quantità di dati, raccolta negli ultimi tre anni, dieci volte più grande di qualsiasi altra ricerca con tecnica sperimentale simile. Nonostante la sua fenomenale sensibilità, l'esperimento non ha ancora osservato prove di eventi di questo tipo. Da questo risultato è possibile stabilire che un atomo di tellurio impiega più di 22 milioni di miliardi di miliardi di anni per decadere. I nuovi limiti di CUORE sul comportamento dei neutrini sono cruciali nella ricerca di una possibile nuova scoperta della fisica delle particelle, che sarebbe rivoluzionaria perché aiuterebbe a comprendere le nostre stesse origini.

“L’obiettivo è capire come ha avuto origine la materia”, spiega Carlo Bucci, ricercatore dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso e responsabile internazionale dell’esperimento CUORE.

"Stiamo cercando un processo che violi una simmetria fondamentale della natura", aggiunge Roger Huang, giovane ricercatore del Lawrence Berkeley National Laboratory del Department of Energy degli Stati Uniti e uno degli autori del nuovo studio. "L'asimmetria tra materia e antimateria nell'universo è ancora un rebus", dice Huang. "Se i neutrini sono le loro stesse antiparticelle, questo potrebbe aiutare a risolverlo".

"Il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, se sarà misurato, sarà il processo più raro mai osservato in natura, con un tempo di decadimento di oltre un milione di miliardi di volte superiore all'età dell'universo", afferma Danielle Speller, professoressa alla Johns Hopkins University e componente del Physics Board di CUORE.

CUORE è un vero trionfo scientifico e tecnologico, non solo per i suoi nuovi risultati, ma anche per aver dimostrato con successo il funzionamento del suo criostato in condizioni veramente estreme, alla temperatura di 10 millesimi di grado sopra lo zero assoluto (10 milliKelvin). La temperatura nel rivelatore CUORE viene attentamente monitorata con sensori in grado di rilevare una variazione di appena un decimillesimo di grado Celsius. Il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini ha una firma energetica specifica e aumenterebbe la temperatura di un singolo cristallo di una quantità ben definita e riconoscibile.

"È il più grande refrigeratore del suo genere al mondo", sottolinea Paolo Gorla, ricercatore dei Laboratori del Gran Sasso e Technical Coordinator di CUORE. "Capace di mantenere la temperatura di 10 milliKelvin ininterrottamente per circa tre anni". Una tale tecnologia ha applicazioni ben oltre la fisica delle particelle fondamentali. In particolare, può trovare impiego nella realizzazione dei computer quantistici, dove una delle principali difficoltà dal punto di vista tecnologico è mantenerli sufficientemente freddi e schermati dalle radiazioni ambientali.

“Lo straordinario funzionamento del criostato di CUORE è il coronamento di una lunga sfida tecnologica iniziata a metà degli anni ‘80 dal gruppo di Ettore Fiorini a Milano, che ha visto l’evoluzione dei rivelatori criogenici, da cristalli di pochi grammi agli oltre 700 kg degli attuali”, aggiunge Oliviero Cremonesi, Presidente della Commissione Scientifica Nazionale per la fisica astroparticellare dell’INFN.

"La sensibilità del rivelatore è davvero fenomenale," afferma Laura Marini, ricercatrice presso il Gran Sasso Science Institute e Run Coordinator di CUORE, "al punto che osserviamo segnali generati da vibrazioni microscopiche della crosta terrestre.” “Abbiamo visto effetti dovuti a terremoti in Cile e Nuova Zelanda", continua Marini “misuriamo costantemente il segnale delle onde che si infrangono sulla riva del mare Adriatico, a 60 chilometri di distanza, che diventa più forte in inverno, quando c’è tempesta”.

CUORE sta facendo da apripista per la prossima generazione di esperimenti: il suo successore, CUPID (CUORE Upgrade with Particle Identification), è già in avanzata fase di sviluppo e sarà oltre dieci volte più sensibile di CUORE. Nel frattempo, CUORE non ha ancora finito. "Saremo operativi fino al 2024 – aggiunge Bucci – e sono impaziente di vedere che cosa troveremo".

CUORE è gestito da una collaborazione di ricerca internazionale, guidata dall'INFN in Italia e dal Berkeley National Laboratory negli Stati Uniti.

ARTICOLO RIVISTA NATURE:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04497-4

Comunicato stampa dell'INFN

Si inaugura oggi, lunedì 23 ottobre, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN l’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 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. 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 e responsabile scientifico dell’esperimento CUORE. “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 presa dati” 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 CUORE. “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.

CUORE è un esperimento di altissima precisione che impiega una tecnologia unica al mondo e la sua costruzione 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."

L’esperimento è una collaborazione internazionale formata da oltre 150 scienziati provenienti da venticinque istituzioni prevalentemente italiane e americane. Per l’Italia partecipa l’INFN con le sezioni di Bologna, Genova, Milano Bicocca, Padova e Roma1 oltre ai Laboratori Nazionali di Frascati, Gran Sasso e Legnaro. A queste si aggiungono le Università di Bologna, Genova, Milano Bicocca e Sapienza di Roma.

Il neutrino di Majorana e il mistero dell’asimmetria tra materia e antimateria.

Il doppio decadimento beta 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 in quanto 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 possibile. Questo fenomeno, seppur estremamente raro, potrebbe esser stato frequente nell’universo primordiale, immediatamente dopo il Big Bang e aver determinato la prevalenza della materia sull’antimateria.

Siamo molto contenti di annunciarvi un nuovo traguardo per il nostro esperimento: il rivelatore CUORE ha raggiunto la sua temperatura di funzionamento di 10 mK! Abbiamo raffreddato più di una tonnellata di diossido di tellurio e rame ad appena un centesimo di grado sopra lo zero assoluto, e ora stiamo vedendo i primi chiari segnali dal nostro rivelatore. La prossima fase consiste nell’ottimizzazione della nostra elettronica e del software di analisi. Presto, inizieremo a prendere i dati ufficiali, quindi continuate a seguirci!

Grazie di cuore a tutti i collaboratori, passati e presenti, che ci hanno aiutato a raggiungere questo traguardo!

Comunicato stampa dell'INFN

L'esperimento CUORE (acronimo per Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) che si trova ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha completato l'installazione delle 19 "torri" che compongono il rivelatore. L'operazione, delicatissima e di estrema precisione, ha richiesto la collaborazione di un team di scienziati, ingegneri e tecnici e si è conclusa il 26 agosto.

"Tutte le 19 torri che costituiscono il rivelatore, composto da 988 cristalli di ossido di Tellurio e con un peso di quasi 750 kg, sono ora sospese al punto più freddo del criostato dell'esperimento" commenta Oliviero Cremonesi spokesperson dell'esperimento – "Ora la Collaborazione si sta preparando per gli ultimi ritocchi al sistema per poi procedere, nei prossimi mesi, alla chiusura del criostato, al suo raffreddamento e all'inizio delle operazioni scientifiche". CUORE è un esperimento ideato per studiare le proprietà dei neutrini, in particolare, l'esperimento cerca un fenomeno raro chiamato doppio decadimento beta senza emissione di neutrini.

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. L'esperimento è una collaborazione internazionale formata da circa 157 scienziati provenienti da trenta istituzioni in Italia, USA, Cina e Francia. Per l'INFN partecipano le sezioni di Bologna, Genova, Milano Bicocca, Padova e Roma oltre ai Laboratori Nazionali di Frascati, Gran Sasso e Legnaro. (Credit: Yury Suvorov/ UCLA, LNGS; and CUORE Collaboration)