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In questa sezione potete trovare alcuni dei nostri ultimi risultati. Cliccando sulle immagini, è possibile scaricarle in formato PDF.

Alla ricerca dei neutrini di Majorana con tecnologie criogeniche in CUORE

Nell'aprile 2022, la collaborazione CUORE ha pubblicato nuovi risultati della ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini del 130Te, utilizzando i calorimetri criogenici all'avanguardia dell'esperimento. CUORE, che lavora soltanto 10 millikelvin sopra lo zero assoluto, ha portato al limite lo stato dell'arte attuale di questa tecnologia su tre frontiere: la massa ultra pura mantenuta a temperature bassissime, la durevolezza di questa tecnologia e i bassissimi livelli di radiazione provenienti dall'infrastruttura criogenica. Con un'esposizione totale di 1038.4 kg⋅yr, non abbiamo osservato nessuna evidenza di decadimento 0νββ e abbiamo fissato un limite inferiore sull'emivita del 130Te rispetto a questo processo di 2.2 × 1025 yr al 90% di Intervallo di Credibilità (CI). CUORE attualmente è in fase di presa dati stabile con 984 su 988 calorimetri funzionanti a un rate ad oggi senza precedenti per rivelatori di particelle criogenici. Questo dimostra che la tecnica di rivelazione basata su calorimetri criogenici può essere utilizzata per realizzare rivelatori di tonnellate di massa e campagne di misura di diversi anni, mantenendo un livello di fondo radioattivo estremamente basso. In questo articolo, dopo una descrizione dell'analisi dei dati per la ricerca del decadimento 0νββ con un'esposizione superiore a 1  t⋅ yr di TeO2, sono discusse le potenziali applicazioni dei progressi raggiunti dall'esperimento CUORE ad altri campi della fisica e non solo, fra questi la ricerca diretta di materia oscura, la fisica del neutrino e la fisica nucleare e la nuova frontiera del quantum computing su larga scala, che potrebbe trarre beneficio dall'utilizzo di grandi carichi in ambienti a bassa radioattività e a temperature criogeniche vicinissime allo zero assoluto. Il plot mostrato in figura rappresenta lo spettro energetico di quest'analisi dopo l'applicazione dei tagli di base, il taglio di anti-coincidenza (AC) e il taglio di forma dell'impulso (PSD). Nella figura sono messi in evidenza anche i picchi di fondo principali. Il riquadro mostra la regione di interesse per il decadimento 0νββ dopo tutti i tagli di selezione considerati con sovrapposte rispettivamente la curva di best-fit (in rosso), la curva di best-fit con il rate di 0νββ fissato al limite al 90% di CI (in blu) e il risultato del fit con le sole componenti di fondo (nero).

Miglioramento del limite sul doppio decadimento beta senza emissione di neutrini del Te-130 con CUORE

Nel Dicembre 2019, la collaborazione ha pubblicato i nuovi risultati della ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini nel 130Te con i rivelatori di CUORE. Rispetto ai precedenti risultati, pubblicati nel 2017, questi sono frutto di una esposizione di quattro volte superiore, una diminuzione delle soglie di trigger e dei miglioramenti nel procedimento di analisi. Il fondo osservato in questa ricerca è di (1.38 ± 0.07) × 10−2 counts/(keV⋅kg⋅anni) nella regione di interesse del decadimento 0νββ del 130Te, e con un'esposizione totale di 372.5 kg⋅anni in TeO2 abbiamo ottenuto una sensibilità mediana di 1.7 × 1025 anni. Non è stata trovata alcuna evidenza del decadimento 0νββ, è stato dunque fissato un limite inferiore sulla vita media del 130Te per questo processo pari a 3.2 × 1025 anni al 90% CI. Nell'ipotesi in cui il decadimento 0νββ fosse mediato da neutrini di Majorana, il risultato ottenuto corrisponde a un limite superiore sulla massa effettiva di Majorana pari a 75-350 meV.
Il grafico mostrato nella figura rappresenta lo spettro nella regione di interesse con la curva di fit del miglior modello (linea rossa continua) e la curva di fit del miglior modello con la componente del decadimento 0νββ fissata al 90% CI (linea tratteggiata blu).

Doppio decadimento beta del Te-130 verso il primo stato eccitato 0+ dello Xe-130 con CUORE-0

A novembre 2018 sono stati pubblicati i risultati di una ricerca del decadimento doppio beta del 130Te sul primo stato eccitato 0+ del 130Xe usando un’esposizione di 9.8 kg⋅anni di 130Te raccolta con l’esperimento CUORE-0. In questo lavoro abbiamo sfruttato diverse topologie di eventi coincidenti per cercare sia il decadimento con che quello senza emissione di neutrini. Non è stata trovata evidenza per nessuno dei due e sono stati fissati limiti inferiori sui tempi di dimezzamento: T0ν0+ > 7.9 × 1023 anni e T2ν0+ > 2.4 × 1023 anni. Combinando i nostri risultati con quelli ottenuti dall’esperimento CUORICINO, è stato possibile fissare i limiti più stringenti ad oggi disponibili per questi processi: T0ν0+ > 1.4 × 1024 anni andT2ν0+ > 2.5 × 1023 anni.

Ricerca del decadimento β+EC senza emissione di neutrini del Te-120 con CUORE-0

Nel maggio 2018, la collaborazione ha pubblicato i risultati della ricerca del decadimento β+EC senza emissione di neutrini del 120Te, ottenuti utilizzando gli ultimi dati pubblicati da CUORE-0. Abbiamo descritto un nuovo metodo di analisi per effettuare il fit simultaneo delle segnature provenienti da eventi con diverse topologie, e di subset di dati caratterizzati da efficienze di segnale differenti, ottenendo un limite sulla vita media del decadimento dato da T1/2 > 1.6 × 1021 anni al 90% CI. Combinando questi risultati con quelli di Cuoricino, l'esperimento predecessore di CUORE-0, abbiamo ottenuto quello che ad oggi è il limite più stringente, cioè T1/2 > 2.7 × 1021 anni al 90% CI.
Il grafico mostrato nel'immagine rappresenta lo spettro in energia relativo alla segnatura in cui l'energia totale viene completamente assorbita da un singolo cristallo. La curva rappresenta il fit del miglior modello minimale, con il picco del decadimento 0νβ+EC normalizzato al limite del 90% CI. L'area colorata in grigio corrisponde ad una regione di 10 keV intorno alla posizione attesa del picco di segnale.

Primi risultati di CUORE: ricerca della violazione del numero leptonico attraverso il decadimento 0νββ del Te-130

Nell'Ottobre 2017, la collaborazione di CUORE ha pubblicato i suoi primi risultati sulla ricerca del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini (0νββ). Dopo solo pochi mesi di presa dati, CUORE ha accumulato un'esposizione pari a 86.3 kg⋅anni di TeO2, che corrisponde a 24.0 kg⋅anni di 130Te. Con questi dati, da solo, CUORE ha fissato quello che ad oggi è il limite più stringente sulla vita media di questo decadimento, pari a T1/2 > 1.3 × 1025 anni (90% C.L.). Combinando questi risultati con quelli ottenuti precedentemente da Cuoricino e CUORE-0, si è ottenuto un limite sulla vita media di T1/2 > 1.5 × 1025 anni (90% C.L.). Il livello di fondo nella regione di interesse per questo decadimento è stato calcolato essere pari a 0.014 ± 0.002 conteggi/(keV⋅kg⋅anni), valore vicino all'obiettivo di CUORE. Nel grafico mostrato, la linea continua blu rappresenta il fit del miglior modello ottenuto con un fit di unbinned extended maximum likelihood (UEML) dei dati. La linea di best fit è sovrapposta allo spettro degli eventi candidati per il decadimento 0νββ nella regione d'interesse, con barre d'errore di tipo gaussiano. La banda colorata di rosa è centrata all'energia attesa per il picco del decadimento, e la larghezza indica l'incertezza sistematica sulla nostra ricostruzione dell'energia. La linea blu tratteggiata, invece, indica un modello privo della componente del decadimento 0νββ. Il picco all'energia di 2506 keV è stato attribuito al decadimento del 60Co. In alto, sono rappresentati i residui normalizzati del modello a confronto con i punti dei dati binnati.

CUORE-0: Tempo di dimezzamento del decadimento doppio beta con emissione di due neutrini

Nel Settembre 2016, sono pubblicati i risultati sulla ricerca del doppio decadimento beta con emissione di due neutrini, relativi ad un’esposizione pari a 33.4 kg⋅y di TeO2 ottenuta da CUORE-0. Il valore della vita media del decadimento è di T1/22ν = [8.2 ± 0.2 (stat.) ± 0.6 (syst.)] × 1020 y.
Questo risultato è stato ottenuto grazie ad un'accurata ricostruzione delle sorgenti responsabili dei conteggi osservati in CUORE-0 che ha permesso una ricostruzione dettagliata di tutto lo spettro energetico osservato.

CUORE-0: Tempo di dimezzamento del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini

Nell'Aprile del 2015, la collaborazione ha pubblicato i risultati sulla ricerca del decadimento doppio beta con un'esposizione complessiva di 9.8 kg⋅y di 130Te utilizzando CUORE-0. Abbiamo fissato un limite inferiore sul tempo di dimezzamento del decadimento di T1∕20ν > 2.7 × 1024 anni con un livello di confidenza del 90% utilizzando CUORE-0, e di T1∕20ν > 4.0 × 1024 anni al 90% C.L. combinando CUORE-0 con Cuoricino. Il livello di fondo nella regione di interesse per questo decadimento è di 0.058 ± 0.004 (stat.) ± 0.002 (syst.) c/(keV⋅kg⋅anno). Nell'immagine mostriamo il fit del miglior modello (linea blu continua) sovrapposto allo spettro nella regione di interesse del 0νββ (punti sperimentali); i dati sperimentali sono mostrati con una barra di errore Gaussiana. La linea tratteggiata verticale indica la posizione in cui ci aspettiamo il possibile segnale da decadimento 0νββ. Il picco a 2507 keV è dovuto al 60Co e la linea orizzontale tratteggiata indica la componente del fondo piatto nella regione di interesse. Il riquadro in alto mostra i residui normalizzati del miglior modello di fit rispetto ai dati sperimentali.

CUORE-0: Sensibilità sulla massa di Majorana del neutrino

Di fianco, sono riportati i vincoli ai possibili valori della massa effettiva di Majorana del neutrino (mββ) in funzione della massa del neutrino più leggero (mlightest). La banda più scura indica i valori ottenuti dal miglior fit sui parametri di oscillazione dei neutrini, nel caso della gerarchia inversa (IH, in verde) e diretta (NH, in rosso). La banda più chiara include le incertezze a 3σ su questi parametri. Le bande orizzontali delimitate dalla linea tratteggiata lunga nera (a), dalla linea tratteggiata beige (b) e dalla linea puntata e tratteggiata blue (c) contengono invece la gamma dei valori del limiti superiore al 90% di livello di confidenza su mββ provenienti da vari isotopi. Abbiamo che (a) 130Te (CUORE-0+Cuoricino), (b) 136Xe (EXO-200 e KamLAND-Zen, non combinati), e (c) 76Ge (limite combinato degli esperimenti Gerda, IGEX, HDM) sono riportati con le linee nere tratteggiate (a), le linee nere punteggiate (b) e le linee blu (c). Le frecce verticali sottolineano lo spazio dei parametri attualmente studiato con ciascuno di questi isotopi. La banda orizzontale tratteggiata grigia indica la regione che ci aspettiamo di esplorare con CUORE, assumendo una sensibilità sul tempo di dimezzamento di 9.5 × 1025 anni con un livello di confidenza del 90%.

CUORE-0: Spettro energetico

Ecco un esempio di spettro energetico delle misure di fisica (blu) e calibrazione (rosso) di CUORE-0. Lo spettro di calibrazione è normalizzato a quello delle misure di fisica al picco a 2615 keV. I picchi sono attribuiti rispettivamente a: (1) annichilazione e+e−, (2) 214Bi, (3) 40K, (4) 208Tl, (5) 60Co, e (6) 228Ac.

CUORE-0: Risoluzione

È stata calcolata la risoluzione energetica nelle misure di calibrazione di CUORE-0 attraverso un fit del picco γ a 2615 keV dovuto al 208Tl. La risoluzione energetica effettiva risulta essere pari a 4.9 keV FWHM a 2615 keV. In figura mostriamo gli spettri di calibrazione nella regione prossima a questo picco, ottenuta sommando i dati di tutti i bolometri in tutti i data-set. La linea blu è il best model fit. Oltre ad una (a) doppia Gaussiana per il foto-picco principale, la funzione per il fit include (b) un continuo dovuto a scattering Compton multipli, (c) un picco per la fuga di un raggio X del Te di energia di circa ~30 keV e (d) un fondo continuo. Abbiamo estrapolato la risoluzione dalle misure di calibrazione alla regione di interesse per il decadimento 0νββ, ottenendo una risoluzione al Q-valore di 5.1 ± 0.3 keV FWHM.

Fondo di CUORE-0 e Cuoricino

Il fondo di CUORE-0 (regione rossa tratteggiata) risulta più basso rispetto al suo predecessore, Cuoricino (linea nera) a tutte le energie. Il fondo di CUORE-0 nella regione 2700–3900 keV, escludendo il picco a 3290 keV del 190Pt, è di 0.016 ± 0.001 c/(keV⋅kg⋅y), cioè 6.8 volte più piccolo rispetto a quello Cuoricino. Il fondo nella regione di interesse è stato ridotto al livello di 0.058 ± 0.004 c/(keV⋅kg⋅yr), un fattore 2.7 meglio di Cuoricino. Questo risultato è in accordo con il nostro modello, che prevede che i materiali che costituiscono il criostato utilizzato sia per Cuoricino che per CUORE-0 producano un fondo γ nella regione di interesse. Ci aspettiamo che questo fondo γ, irriducibile per CUORE-0, potrà essere abbattuto in CUORE grazie ad una accurata selezione dei materiali del criostato, una migliore schermatura, e allo studio delle coincidenze fra bolometri.