In una famosa lettera inviata nel dicembre 1930 "alle care signore e ai cari signori radioattivi" di un congresso a Tubinga, Pauli predisse l'esistenza di una particella elettricamente neutra e molto leggera come "disperato tentativo" per spiegare perché, in contrasto con ogni aspettativa, l'energia dell'elettrone emesso in un decadimento beta non corrisponda a quella totale del decadimento stesso. Per risolvere questa apparente violazione della conservazione dell'energia, Pauli immaginò che una qualche particella sconosciuta portasse via parte dell'energia del decadimento. Enrico Fermi la battezzò "neutrino", e propose una teoria in grado di spiegare il decadimento beta incorporando questa nuova particella.

Il neutrino venne effettivamente rivelato per la prima volta solo venticinque anni dopo, attraverso gli esperimenti con i reattori nucleari condotti da Frederick Reines e Clyde Cowan. Da allora, esperimenti con sensibilità sempre più elevate hanno studiato le proprietà del neutrino e scoperto che non solo esistono più famiglie di neutrini, ma anche che neutrini nati in una famiglia possono evolversi nel tempo ed esser rivelati come neutrini appartenenti ad un'altra famiglia. Inoltre, queste particelle sono dotate di una piccolissima massa, il cui valore è tuttora ignoto.

Nonostante i notevoli progressi degli ultimi decenni, ad oggi nessun esperimento è riuscito a misurare la massa assoluta dei tre tipi di neutrini conosciuti. Sappiamo che le masse dei tre neutrini sono diverse fra loro, ma non ne conosciamo i valori assoluti, né sappiamo quale neutrino sia il più pesante e quale il più leggero. La natura stessa di questa particella è sconosciuta. Tutte le particelle conosciute con lo stesso spin del neutrino sono dette particelle di Dirac; se il neutrino fosse di Dirac, ad ogni neutrino dovrebbe corrispondere un antineutrino, uguale in tutto tranne che per la carica opposta. Tuttavia, il neutrino ha una proprietà unica nel suo genere: è completamente neutro. Per questa ragione, Ettore Majorana pensò che il neutrino potesse essere l'unica particella che coincide con la propria antiparticella. La prova dell'esistenza di particelle di Majorana consentirebbe di fare un gigantesco passo in avanti alla fisica moderna.

Decadimento doppio beta senza emissione di neutrini

I fisici hanno postulato l'esistenza di un processo che, se osservato, potrebbe dare una risposta ad alcune di queste domande: il decadimento doppio beta senza emissione di neutrini (0νββ). Il decadimento doppio beta è un processo raro che prevede il decadimento di un nucleo attraverso l'emissione simultanea di due elettroni. Nel decadimento doppio beta ordinario, proposto da Maria Goeppert-Mayer nel 1935, i due elettroni sono accompagnati da due neutrini. Questo tipo di decadimento è stato osservato in diversi isotopi. Nel decadimento doppio beta senza emissione di neutrini, proposto da Wendell H. Furry nel 1939, il nucleo dovrebbe emettere solo due elettroni, senza alcun neutrino. Questo processo, che non è mai stato osservato, è mostrato nel grafico a destra.

Il decadimento 0νββ viola le leggi del Modello Standard della Fisica delle Particelle. Più nello specifico, l'assenza di neutrini nel decadimento viola la conservazione del numero leptonico. L'esistenza di un processo simile riveste un'importanza particolare non solo per la fisica dei neutrini, ma anche in svariati altri ambiti (per esempio, per i modelli che cercano di spiegare perché nell'universo c'è molta più materia che antimateria). Inoltre, l'eventuale osservazione del decadimento 0νββ consentirebbe di affermare che il neutrino coincide con la propria antiparticella e permetterebbe di dare una stima della componente di Majorana della massa di questa particella.

La sfida

Negli ultimi decenni, diverse collaborazioni hanno cercato il decadimento 0νββ con tecnologie sempre più avanzate, ma nessuna ha ottenuto un segnale chiaro e riproducibile di questo processo. Per poter sperare di vedere un segnale convincente, gli esperimenti di prossima generazione puntano a rivelatori di una tonnellata, con un'ottima risoluzione energetica e con fondo radioattivo nella regione di interesse sempre più basso. Infatti, nonostante il segnale atteso sia molto chiaro (un picco monocromatico con energia pari al Q-valore del decadimento), a causa dell'estrema rarità del processo ci aspettiamo di vedere solo qualche decadimento 0νββ in 5-10 anni di presa dati con un rivelatore di una tonnellata!

La collaborazione CUORE ha raccolto questa sfida concentrandosi sullo studio di un possibile candidato per il decadimento 0νββ, il ¹³⁰Te. Negli ultimi anni abbiamo sfruttato e ottimizzato la tecnica dei rivelatori bolometrici, dimostrandone il potenziale attraverso prototipi come Cuoricino e CUORE-0. Il prossimo passo, previsto per il 2016, è l'inizio della presa dati del più grosso esperimento bolometrico mai realizzato: CUORE.

La Materia Oscura

Da molteplici misure astrofisiche sappiamo che gli atomi che compongono la materia "ordinaria" costituiscono meno del 5% dell'Universo. Una porzione ben più significativa, e pari al 27%, è costituita da una forma sconosciuta di materia, detta materia oscura, la cui esistenza è provata dall'effetto gravitazionale che produce sulla materia visibile.
Fra gli svariati candidati proposti per spiegare la natura della materia oscura, i più plausibili sono gli assioni e le particelle massive debolmente interagenti -in inglese Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). Attualmente sono in corso numerosi esperimenti per cercare le interazioni dovute a queste possibili particelle.

Nonostante lo scopo principale dell'esperimento CUORE sia la ricerca del 0νββ, la soglia energetica e il basso fondo radioattivo lo rendono adatto anche alla ricerca di eventi rari nella regione a bassa energia, come le interazioni da materia oscura. La rivelazione della materia oscura, infatti, pone dei vincoli sui rivelatori molto simili a quelli per la ricerca del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini. La differenza principale fra i due studi consiste nella regione energetica di interesse: quella per la materia oscura (di pochi keV) è ad energie mille volte più basse di quella per il decadimento 0νββ (qualche MeV).

Gli esperimenti possono identificare l’interazione di una WIMP con il rivelatore attraverso la registrazione del rinculo del nucleo coinvolto. Poiché ci sono alcuni esperimenti, come DAMA, che affermano di aver visto un segnale compatibile con la presenza di WIMPs, ed altri che sostengono di aver studiato lo stesso segnale senza vedere nulla, un dibattito molto acceso sull'esistenza di queste particelle è in corso da diversi anni.

Misure dedicate, effettuate con cristalli di CUORE, hanno dimostrato che possiamo raggiungere una soglia di 3 keV. Con questa soglia, e con un fondo più basso rispetto a quanto registrato nell’ esperimento CUORE-0, ci aspettiamo che CUORE possa testare il segnale misurato dall'esperimento DAMA entro 5 anni di presa dati. CUORE sarà il primo esperimento ad utilizzare il tellurio per questa ricerca, e il risultato ottenuto sarà complementare a quello di esperimenti che utilizzano altri materiali.

CUORE studierà anche un altro candidato per la materia oscura: gli assioni. CUORE si concentrerà sugli assioni prodotti dall'eccitazione termica del ⁵⁷Fe nel sole, che interagiscono nei bolometri di TeO₂ attraverso l'effetto assio-elettrico. In questo processo (che è analogo all'effetto fotoelettrico ma con l'assorbimento di un assione anziché di un fotone), un assione viene assorbito da un elettrone e produce un segnale con energia di circa 14.4 keV. La fattibilità di questo studio è stata dimostrata utilizzando 4 cristalli, che hanno consentito di stabilire un limite superiore di 0.58 conteggi per chilogrammo per giorno. Ci aspettiamo che CUORE possa migliorare la sensibilità sui parametri di interesse nella descrizione degli assioni di almeno un ordine di grandezza rispetto a questo risultato.