La tecnica scelta da CUORE per la ricerca del decadimento 0νββ (e di altri eventi rari) è quella dei rivelatori bolometrici. I bolometri utilizzati in questo esperimento sono cristalli di diossido di tellurio (TeO₂) contenenti l'emettitore ¹³⁰Te. Ogni volta che un nucleo di ¹³⁰Te decade, o una particella attraversa il cristallo e rilascia dell'energia, si verifica un aumento di temperatura del bolometro. Monitorando i cristalli con appositi sensori, siamo in grado di convertire questi segnali di temperatura in impulsi elettrici. La difficoltà tecnologica risiede principalmente nel fatto che, affinché un bolometro possa funzionare, deve essere portato a temperature estremamente basse (qualche millesimo di grado appena al di sopra dello zero assoluto). Solo in questo modo, infatti, anche minuscoli rilasci di energia possono dar luogo a un aumento di temperatura rilevabile.

Uno dei vantaggi più importanti dei bolometri (rispetto a quasi tutte le altre tecnologie disponibili), è la possibilità di crescere cristalli partendo dall'isotopo candidato al decadimento 0νββ. Questo approccio consente di raggiungere un'efficienza molto elevata sia nel contenimento che nella misura dei due elettroni emessi dal decadimento in esame. Nel 1984 un fisico italiano, Ettore Fiorini, propose di utilizzare i bolometri per cercare il decadimento 0νββ. Per studiare l'emettitore ¹³⁰Te vennero scelti cristalli di TeO₂, che sono caratterizzati da ottime proprietà criogeniche, meccaniche e di radio-purezza, e consentono di raggiungere un'eccellente risoluzione energetica.

Dieci anni dopo, il suo gruppo di ricerca dimostrò il potenziale di questa idea misurando con successo un singolo cristallo di TeO₂ da 340 g. Nel 2003 vennero pubblicati i risultati di MiDBD (un rivelatore modulare formato da 20 cristalli per un totale di 6.8 kg di TeO₂), che aprì la strada allo sviluppo dei rivelatori di grossa massa.

L'attività di ricerca degli ultimi decenni ha consentito di ottimizzare le prestazioni dei bolometri di TeO₂ in vista di CUORE. Sono stati due gli importanti traguardi intermedi: la presa dati del primo rivelatore bolometrico di grande massa, Cuoricino (2003-2008) e del suo successore CUORE-0 (2013-2015). Questi esperimenti non hanno visto il 0νββ del ¹³⁰Te, ma hanno posto il limite ad oggi più stringente sul suo tempo di dimezzamento: 4× 10²⁴ anni al 90% C.L. Grazie ad una massa circa 19 volte più grande, e a un fondo nella regione ancora più basso, CUORE punta a migliorare la sensibilità sul tempo di dimezzamento fino al livello di 10²⁶ anni.

Il primo rivelatore bolometrico di grande massa: Cuoricino

Cuoricino è stato un rivelatore formato da 62 bolometri di TeO₂ disposti in una torre di 13 piani. Con una massa totale di 40.8 kg (11.8 kg di ¹³⁰Te), è tuttora il rivelatore bolometrico più grande che abbia mai preso dati. In acquisizione dal 2003 al 2008 presso la sala A dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Cuoricino ha consentito di dare un limite molto stringente sul tempo di dimezzamento del ¹³⁰Te: 2.8x10²⁴ anni al 90% C.L. Un altro importante risultato di Cuoricino è stata la caratterizzazione del fondo radioattivo per i rivelatori bolometrici. Grazie all'alta statistica raccolta, abbiamo compreso che il fondo nella regione di interesse (cioè dove ci si aspetta di trovare 0νββ) è dominato da isotopi che decadono emettendo particelle α. I nostri modelli attribuiscono la sorgente principale di queste contaminazioni alla struttura di rame che sorregge i cristalli. Per questa ragione, abbiamo portato avanti un'attività di ricerca volta alla riduzione della contaminazioni provenienti da questo materiale, che ha dimostrato di essere molto efficace nei risultati ottenuti con CUORE-0.

L'erede di Cuoricino: CUORE-0

Grazie all'esperienza acquisita con Cuoricino, abbiamo ottimizzato il disegno del futuro rivelatore CUORE. A differenza del predecessore, esso sarà costituito da 19 torri di bolometri anziché da una sola. Dopo aver implementato tutti i cambiamenti, abbiamo realizzato una singola torre utilizzando quella che sarà la linea di produzione ufficiale di CUORE, e l'abbiamo installata nel criostato usato in precedenza per Cuoricino. Questo rivelatore è stato battezzato CUORE-0.

Poiché Cuoricino ha dimostrato che il rame è pericoloso per il fondo radioattivo, abbiamo modificato il disegno del rivelatore in modo da ridurre il più possibile la presenza di questo materiale inerte, e abbiamo ottimizzato le procedure per pulirne le superfici. Inoltre, al fine di evitare ri-contaminazioni dei materiali, abbiamo sviluppato un sistema semi-robotico di assemblaggio in camera pulita. Questo sistema ha il vantaggio aggiuntivo di migliorare la riproducibilità nella risposta dei singoli rivelatori.

Durante il periodo di presa dati, da marzo 2013 a marzo 2015, CUORE-0 ha dimostrato che le procedure adottate sono molto efficaci: il fondo dovuto a particelle α si è ridotto di un fattore 6, e i cristalli hanno mostrato una risoluzione più riproducibile e, in media, migliore di quella di Cuoricino.

CUORE

CUORE sarà il più grosso esperimento bolometrico mai realizzato. Le sue 19 torri, identiche a quella di CUORE-0, raggiungeranno una massa totale di 741 kg (di cui 206 kg di ¹³⁰Te) per un totale di 988 bolometri di TeO₂. Per raffreddare tutto questo materiale, abbiamo realizzato un apposito criostato, in grado di creare il metro cubo più freddo dell'Universo conosciuto.

Le torri verranno posizionate all'interno del criostato in modo da realizzare un rivelatore molto compatto, per poter sfruttare al meglio sia le coincidenze di eventi fra rivelatori vicini, che l'ulteriore riduzione del fondo dovuta al fatto che i cristalli più esterni schermeranno la radioattività prodotta dall'apparato sperimentale. Partendo dal fondo ottenuto con CUORE-0, sfruttando sia il criostato più puro dal punto di vista radioattivo che la struttura compatta del rivelatore, ci aspettiamo un fondo totale di 10^-2 conteggi/keV/kg/y nella regione del decadimento 0νββ (ovvero, ~200 conteggi spuri in 5 anni di presa dati). Assumendo la stessa efficienza e risoluzione ottenute con CUORE-0, ma una massa 19 volte più grande, prevediamo quindi che CUORE raggiungerà una sensibilità dell'ordine di 10²⁶ anni sul tempo di dimezzamento del decadimento 0νββ, che corrisponde a una sensibilità sulla massa di Majorana di circa 40-100 meV.

Le torri di CUORE sono state assemblate utilizzando la stessa linea di produzione di CUORE-0, e al momento sono conservate in una camera pulita dei laboratori sotterranei, in appositi contenitori flussati con azoto per prevenire eventuali ri-contaminazioni durante gli ultimi test del criostato. L'installazione delle torri e la messa in funzione del rivelatore inizieranno nel 2016.

Il futuro di CUORE

Per migliorare ulteriormente la sensibilità degli esperimenti bolometrici, sarà necessario aumentare la massa del rivelatore e ridurre di almeno un ordine di grandezza il fondo nella regione di interesse.

Probabilmente, la strada più semplice da percorrere per aumentare la massa del rivelatore sarà l'arricchimento dei cristalli nell'isotopo di interesse. L'arricchimento isotopico è fattibile per la maggior parte degli emettitori 0νββ ma è costoso, richiede appositi siti, e potrebbe introdurre contaminazioni radioattive o chimiche nel materiale finale, compromettendo la crescita di un buon cristallo.

La nuova sfida per la riduzione del fondo ha dato origine a diversi progetti volti allo sviluppo di tecnologie innovative per il riconoscimento della particella interagente nel rivelatore. La possibilità di identificare la natura dell'interazione consentirebbe di separare il segnale (elettroni) dal fondo prodotto, per esempio, da particelle α. Le tecnologie proposte si concentrano principalmente sull'introduzione di un lettore di luce molto sensibile, e alcune di esse hanno già ottenuto dei risultati incoraggianti.

Infine, poiché la rivelazione del decadimento 0νββ sarebbe una pietra miliare per la fisica moderna, è importante testare diversi isotopi per escludere che qualche caratteristica peculiare dell'emettitore scelto possa simulare il processo cercato. Per questa ragione la collaborazione CUORE e altri esperimenti stanno caratterizzando ulteriori cristalli contenenti diversi candidati 0νββ.