CUORE

Alla ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini

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)

Comunicato stampa dell'INFN

Parte oggi da Cagliari l'ultimo viaggio di 30 lingotti di piombo dell'antica Roma verso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Dopo duemila anni passati in fondo al mare, nella stiva di una nave romana affondata al largo delle coste della Sardegna, la loro nuova casa sarà il ventre di una montagna, sotto i 1400 metri di roccia della catena appenninica. La cerimonia di consegna del piombo romano - frutto di un accordo tra l'INFN, che ha finanziato i lavori di scavo del relitto e il recupero del suo carico, e la Soprintendenza Archeologia della Sardegna, con il parere favorevole del Ministero dei beni e delle attività culturali e del turismo (Mibact) - si svolge oggi presso il Museo Archeologico Nazionale di Cagliari.

All'incontro intervengono il presidente dell'INFN Fernando Ferroni, il consigliere del presidente della Regione Autonoma della Sardegna Gianluca Serra, il soprintendente archeologo della Sardegna Marco Edoardo Minoja, il rettore dell'Università di Sassari Massimo Carpinelli, il direttore dei LNGS Stefano Ragazzi, il direttore della sezione INFN di Cagliari Alberto Masoni ed Ettore Fiorini, ideatore e realizzatore del progetto "Piombo romano" per l'esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), presso i LNGS, per lo studio dei neutrini.

"L'utilizzo dei lingotti di piombo romano rappresenta un caso esemplare di collaborazione tra le Istituzioni, finalizzata a valorizzare il patrimonio archeologico nazionale e la ricerca scientifica di frontiera, come quella sulla fisica dei neutrini, premiata nel 2015 con il Nobel", spiega Fernando Ferroni, presidente dell'INFN. Il progetto di recupero dei lingotti sommersi è il risultato di una cooperazione tra l’INFN, la Soprintendenza Archeologia della Sardegna, e le Università di Cagliari e Milano Bicocca. Successivamente, la collaborazione tra l'INFN e le Università di Cagliari, Sassari e Milano Bicocca ha permesso di condurre accurate misure per stabilire la composizione chimica dei lingotti.

"Grazie alla dotazione di strumenti di altissima tecnologia ai LNGS, è stato possibile effettuare analisi archeometriche con il metodo dei rapporti isotopici, identificando la miniera romana di Sierra de Cartagena, da cui circa duemila anni fa il piombo è stato estratto. Nei prossimi mesi sarà possibile svolgere studi più approfonditi", afferma Stefano Ragazzi, direttore dei LNGS.

"Il piombo romano, che dalla Sardegna parte alla volta dei LNGS, ha caratteristiche uniche ed eccezionali. Il suo recupero, gli studi archeologici associati e l'utilizzo per gli esperimenti dell'INFN non solo saldano due mondi apparentemente distanti, ma costituiscono un esempio di successo, non isolato, della collaborazione fra l'INFN, le Università sarde e le Istituzioni del territorio", sottolinea Alberto Masoni, direttore della sezione INFN di Cagliari.

"L'Università di Sassari è orgogliosa di contribuire a questa impresa e di collaborare con prestigiose istituzioni scientifiche come l'INFN, prime al mondo in questi campi di ricerca. Un altro esempio di come nel nostro ateneo ci siano ricercatori capaci di essere al vertice di ricerche di punta - afferma Massimo Carpinelli, rettore dell'Università di Sassari -. Ringrazio i componenti del gruppo di ricerca che stanno realizzando gli studi sulla composizione chimica dei lingotti. La gran mole di dati raccolti attraverso l'attivazione neutronica e la misura dei rapporti tra gli isotopi stabili del piombo, è al servizio della comunità scientifica, impegnata nel lungo lavoro di analisi e interpretazione archeometrica". L'accordo tra l'INFN e la Soprintendenza Archeologia della Sardegna prevede la possibilità di utilizzare i 30 lingotti, dal peso complessivo di quasi una tonnellata, preservandone ogni caratteristica di carattere archeologico, per ricerche di archeometria, come suggerito dall'UNESCO.

"Questo piombo - afferma Ettore Fiorini, fisico dell'Università di Milano Bicocca e ideatore dell'esperimento CUORE - è un materiale preziosissimo, con un importante valore scientifico, oltre che archeologico, per la schermatura degli apparati per la ricerca di eventi rari. Si tratta, infatti, di un materiale che dev'essere totalmente privo di contaminazione radioattiva. Il piombo moderno - spiega Fiorini - contiene, infatti, una debole contaminazione radioattiva dovuta al suo isotopo 210, che si dimezza in circa ventidue anni. Da qui l'idea di utilizzare il piombo della nave romana che, essendo stato prodotto duemila anni fa, non contiene più isotopi radioattivi". CUORE è un esperimento ideato per studiare le proprietà dei neutrini e, in particolare, un fenomeno estremamente raro, chiamato doppio decadimento beta senza emissione di neutrini. Questo processo non è mai stato osservato finora, e per riuscirci i fisici hanno bisogno di condizioni ambientali di estrema purezza, in particolare di bassissima radioattività. Nasce da qui l'idea - proposta da Ettore Fiorini, portata avanti dall'Università e dalla sezione INFN di Milano Bicocca, e la cui realizzazione è stata seguita in tutti i suoi passaggi dai LNGS - di dotare CUORE di uno speciale "scudo", realizzato grazie alla fusione della parte inferiore dei lingotti di piombo. Il piombo, essendo un materiale molto denso e con alto numero atomico, è, infatti, ottimo per schermare dalle radiazioni.

La nave romana

L'imbarcazione venne rinvenuta per caso attorno al 1990 da un sommozzatore dilettante al largo della costa di Oristano, davanti all’isola che oggi si chiama Mal di Ventre, nel territorio del comune di Cabras, a un miglio o poco più dalla riva. Si tratta di una navis oneraria magna, un'imbarcazione romana di 36 metri che, oltre duemila anni fa, tra l'80 e il 50 avanti Cristo, trasportava circa duemila lingotti di piombo, solo la metà dei quali recuperata. La nave proveniva dalla miniera di Sierra di Cartagena, nell'attuale Spagna, ed era probabilmente diretta a Roma. Secondo gli archeologi, era specializzata nel trasporto di piombo a scopo militare ed edilizio. Nella sua stiva erano, infatti, alloggiati, su un pavimento in rame, circa duemila lingotti di piombo, assieme ad anfore di vario tipo, ancore, attrezzature di bordo e oggetti di uso quotidiano. Gli archeologi ritengono, data la posizione delle ancore collocate presso la prua, e dei lingotti ancora in parte impilati, che la nave sia affondata senza subire particolari traumi, probabilmente ad opera dello stesso comandante e del suo equipaggio, per evitare che il prezioso carico finisse in mani nemiche.

Il piombo

Ogni lingotto di piombo è lungo 46 centimetri e alto nove, e ha un peso di circa 33 kg. In epoca romana il piombo era un sottoprodotto dell'estrazione dell'argento, e rappresentava un mercato importantissimo per i suoi molteplici impieghi. Veniva, infatti, largamente usato per realizzare oggetti di uso comune, dalle condutture per l'acqua (fistulae), come quelle dell'antica Pompei, ai pesi, alle urne cinerarie, nella produzione delle monete di bronzo, nonché delle "ghiande" dei frombolieri, biglie che venivano lanciate dai soldati con le fionde sui campi di battaglia. Oltre 200 di questi proiettili sono stati trovati sulla nave affondata. Il piombo fuso era, inoltre, utilizzato in edilizia, per tenere insieme i blocchi di pietra. Del prezioso carico romano gli archeologi sono riusciti a ricostruire la provenienza. Ogni lingotto di piombo ha, infatti, incisi i marchi di fabbrica, come "Caius e Marcus Pontilieni, figli di Marcus", "Quintus Appius, figlio di Caius", e "Carulius Hispalius. Si tratta di famiglie di origine italiana che svolgevano attività mineraria in Spagna.

L'esperimento CUORE e i neutrini di Majorana

L'esperimento presso i LNGS è stato realizzato per scoprire un fenomeno fisico rarissimo, detto doppio decadimento beta senza emissione di neutrini. In generale, il doppio decadimento beta è un processo in base al 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, appunto, emissione di neutrini, poiché uno degli antineutrini si è trasformato in neutrino. Il Modello Standard prevede che i neutrini siano esclusi da questa trasformazione. Ma se, come ipotizzato negli anni '30 del secolo scorso dal fisico catanese Ettore Majorana, i neutrini e gli antineutrini fossero due manifestazioni della stessa particella, come le due facce di una stessa medaglia, la transizione tra materia e antimateria risulterebbe allora possibile. Questo fenomeno, seppur attualmente raro, potrebbe essere stato frequente nell’universo primordiale immediatamente dopo il Big Bang, e avere determinato la prevalenza della materia sull'antimateria. CUORE è frutto di una collaborazione internazionale formata da circa 157 scienziati, provenienti da 30 Istituzioni in Italia, USA, Cina, Spagna e Francia. Per l'INFN partecipano le sezioni di Milano Bicocca, Bologna, Genova, Padova, Roma La Sapienza, e i Laboratori Nazionali INFN del Gran Sasso, di Frascati e di Legnaro.