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Rivista di divulgazione scientifica realizzata dagli studenti di Fisica della Sapienza

Cuor di neutrino

Written By: Carlo Mancini - Sep• 18•11








Ogni volta che sento parlare di un nuovo risultato sperimentale sulla fisica del neutrino, mi viene in mente quando nel 1998 all’Università dell’Aquila seguivo il corso di Fisica delle Particelle. Ho conosciuto qui il neutrino e ho percepito l’enorme interesse e l’entusiasmo dei fisici per questa elusiva particella: erano gli anni in cui si cominciava a parlare con convinzione delle oscillazioni di neutrini, oggi ormai universalmente accettate dalla comunità sperimentale, e si progettavano nuovi e ambizioni esperimenti che oggi hanno già esaurito con successo il loro programma di ricerca, lasciando spazio a progetti ancora più avanzati. Nonostante l’enorme sforzo sperimentale messo in campo, i grandi progressi e i successi raggiunti, a tanti anni di distanza il neutrino nasconde ancora molti misteri e le domande ancora aperte intrigano i fisici e li spingono ad andare sempre più a fondo.
Il protagonista di questo articolo si chiama CUORE, un esperimento che spingerà al limite la tecnologia allo scopo di scoprire il decadimento doppio beta: un decadimento rarissimo, finora mai osservato, che getterebbe nuova luce sulle proprietà ancora sconosciute di questa elusiva particella chiamata neutrino.

I tre segreti del neutrino

Nella storia della fisica delle particelle è spesso successo che particelle nuove venissero scoperte durante gli esperimenti e poi studiate e classificate fino a trovare posto in una determinata teoria. Per il neutrino è successo il contrario: la sua esistenza è stata prima ipotizzata teoricamente e poi, dopo quasi trent’anni, finalmente provata sperimentalmente. Tuttavia il neutrino presenta ancora degli aspetti che sfuggono all’osservazione dei fisici e che impediscono una sua precisa descrizione teorica. I tre segreti ancora nascosti del neutrino sono quelli che i fisici più ostinatamente cercano di svelare.

Massa e oscillazioni

Nel Modello Standard1 il neutrino è privo di massa, ma negli ultimi decenni i risultati di molti esperimenti hanno mostrato che una massa deve pur averla, per quanto piccolissima.
Si è infatti osservato che i neutrini possono cambiare sapore durante il loro cammino dalla sorgente al rivelatore. La scoperta delle oscillazioni di sapore è stata di fondamentale importanza e questo spiega anche l’eccezionale sforzo sperimentale messo in campo dai fisici di tutto il mondo per poter investigare questo fenomeno. Dagli anni ’90 diverse generazioni di esperimenti si sono cimentate nello studio delle oscillazioni, ciascuna aggiungendo un piccolo o grande pezzo all’intricato puzzle. Questo fino ai giorni nostri, dove ormai la conoscenza del meccanismo delle oscillazioni è quasi completa. La probabilità per un neutrino di oscillare da un sapore all’altro dipende dalla differenza delle masse al quadrato, quindi per poter oscillare i neutrini devono esserne dotati. Allo stesso tempo però gli esperimenti che hanno rivelato le oscillazioni di sapore hanno potuto solo misurare queste differenze di massa al quadrato, ma non il loro valore assoluto. Per questo serve una misura indipendente che prescinda dalle oscillazioni e che si riferisca a un diverso fenomeno fisico, per esempio il decadimento beta semplice oppure il decadimento doppio beta.

La gerarchia

Sempre dai risultati delle oscillazioni sappiamo che dei tre neutrini, due (che vengono indicati convenzionalmente con m1 e m2) hanno una differenza di massa molto piccola, dell’ordine di 10-2 eV 2, mentre la massa del terzo differisce da quella degli altri due di un valore circa cinque volte maggiore. Resta però da capire se quest’ultimo, definito convenzionalmente m3, sia il più pesante o il più leggero. Nel primo caso si parla di gerarchia diretta delle masse, perché hanno un ordine crescente come m1, m2 e m3, nel secondo caso si parla di gerarchia inversa.

L’antineutrino

La scoperta di una massa del neutrino diversa da zero ha costretto i fisici a rivedere il Modello Standard aggiungendo una massa per i neutrini e per gli antineutrini. Essendo il neutrino un fermione, cioè una particella di spin semi-intero come l’elettrone, un modo di descriverlo sarebbe secondo la teoria di Fermi in cui neutrino e antineutrino sono due particelle distinte.
Tuttavia il fisico Majorana ha ipotizzato la possibilità per il neutrino di essere l’antiparticella di se stesso. Questo è possibile solo se il neutrino è massivo e ora sappiamo che lo è: molti fisici teorici sostengono che l’ipotesi di Majorana garantirebbe la descrizione più naturale del neutrino massivo all’interno del Modello Standard.

Il decadimento doppio beta

Schema del decadimento doppio betaNel 1939 F. Furry stabilì che l’esistenza del neutrino di Majorana implicava la possibilità che si verificasse un processo che battezzò con il nome di decadimento doppio beta. Come mostrato nella Figura a lato, il decadimento beta semplice produce un protone, un elettrone e un antineutrino. È tuttavia possibile anche il processo inverso: un neutrino collide con un neutrone che emette un protone e un elettrone. Se il neutrino e l’antineutrino sono la stessa particella, allora l’antineutrino prodotto dal primo decadimento beta potrebbe a sua volta (nelle vesti di un neutrino) collidere con un neutrone ed emettere un altro protone e un secondo elettrone. Complessivamente l’effetto del decadimento doppio beta è quello di trasformare due neutroni del nucleo in due protoni con l’emissione di due elettroni senza che compaia alcun neutrino. Il decadimento doppio beta senza neutrini non è mai stato osservato sperimentalmente. È stato invece osservato il processo simile, denominato decadimento doppio beta con emissione di neutrini, in cui un nucleo per cui il decadimento doppio beta semplice non è permesso per ragioni energetiche effettua invece due decadimenti beta contemporaneamente, con l’emissione di due elettroni e due neutrini. A dispetto della somiglianza tra i due processi le differenze dal punto di vista teorico sono fondamentali. Perché il decadimento doppio beta accada il neutrino deve essere di Majorana e dunque dotato di massa: questo decadimento non può accadere all’interno della teoria del Modello Standard. Il decadimento doppio beta con emissione di neutrini, per quanto raro, è invece perfettamente ammissibile e non necessita di un neutrino dotato di massa per accadere. Fino a oggi è stato osservato sperimentalmente per diversi nuclei con una frequenza dell’ordine di un evento ogni 1020 anni.
L’osservazione sperimentale del decadimento doppio beta senza neutrini fornirebbe in un solo colpo la risposta alle tre domande ancora aperte che abbiamo descritto prima. Misurando il tempo caratteristico di questo decadimento (una volta osservato) si può ricavare il valore della cosiddetta massa di Majorana ovvero una combinazione lineare dei tre autostati di massa dei neutrini. La misura della massa di Majorana fornirebbe una misura diretta della scala di massa del neutrino, distinguerebbe il caso della gerarchia inversa dal caso della gerarchia diretta delle masse e infine proverebbe la natura di Majorana del neutrino. Non c’è da stupirsi che i fisici ritengano questa scoperta una delle sfide più importanti della moderna fisica delle particelle.

La battaglia per il fondo zero

L’osservazione sperimentale del decadimento doppio beta senza neutrini sarebbe quanto di più semplice ci si possa augurare in fisica delle particelle. I due elettroni emessi nello stato finale portano via infatti tutta l’energia della transizione, che si chiama Q-valore ed è semplicemente la differenza tra la massa del nucleo padre e quella del nucleo figlio. Se i due elettroni vengono rivelati entrambi danno luogo a un segnale proprio all’energia del Q-valore, nota per ogni nucleo. L’approccio più semplice è dunque di concepire un rivelatore che contenga al suo interno grandi quantità di materiale emettitore doppio beta3 e attendere per un tempo sufficientemente lungo fino a evidenziare un picco di eventi all’energia del Q-valore del nucleo scelto. Data la bassissima probabilità prevista in questo caso, in media inferiore a un evento ogni 1024 anni, avere a disposizione una grande massa è necessario per avere un ragionevole numero di eventi (diciamo circa 10) nel tempo di vita tipico di un esperimento (5 ÷ 10 anni).
La realtà purtroppo è assai più complicata del semplice scenario che abbiamo illustrato a causa del problema del fondo, ovvero di tutti quegli eventi che potrebbero dare un segnale indistinguibile da quello degli elettroni emessi nel decadimento doppio beta, pur essendo di natura completamente diversa. Nel nostro caso si tratta di decadimenti radioattivi4 di materiali vicini ai rivelatori oppure interazioni di particelle provenienti dall’ambiente in cui il rivelatore si trova a operare. È facile capire che se nella regione di energia in cui aspettiamo il nostro segnale siamo sommersi da fondo di altra natura, osservare pochi eventi sarebbe come cercare di captare le note di un violino all’interno di uno stadio di calcio al momento del gol. Le strategie per combattere il fondo sono sostanzialmente due: schermi di materiali pesanti posti tutt’intorno al rivelatore in modo da assorbire le particelle provenienti dall’esterno (muoni cosmici, neutroni, radioattività ambientale) e scelta di materiali il più possibile radiopuri per la costruzione di ogni singola parte dell’esperimento, con la massima attenzione alle parti in stretto contatto con i rivelatori. Finora gli esperimenti per la rivelazione del decadimento doppio beta hanno raggiunto livelli di fondo dell’ordine di un conteggio ogni 5 kg, per keV e per anno, ma per poter spingere la sensibilità degli esperimenti futuri fino a testare i valori della massa suggeriti dagli esperimenti sulle oscillazioni di neutrini bisogna almeno ridurre il fondo di un fattore 20, uno sforzo tecnico assolutamente non banale, visti i livelli di partenza già eccezionalmente bassi.

L’esperimento CUORE

L’esperimento CUORE sarà costituito da 988 cristalli di ossido di tellurio sistemati in 19 torri di 13 piani, ciascuno contenente quattro rivelatori tenuti insieme da cornici di rame ultrapuro (cfr. il riquadro in basso a destra della Figura 1). L’intero sistema di torri è contenuto all’interno di un refrigeratore a diluizione, una specie di enorme frigorifero capace di raffreddare l’apparato a una temperatura di ∼ 10 mK, ovvero di soli 10 millesimi di grado sopra lo zero assoluto (cfr. Figura 1). I cristalli di ossido di tellurio, ognuno delle dimensioni di 5 x 5 x 5 cm3, contengono al loro interno un isotopo naturale del tellurio, il Te130, che è uno dei nuclei emettitori doppio beta, con un Q-valore dell’ordine di 2530 keV. La massa totale del sistema di rivelatori sarà dell’ordine di 740 kg, di cui 204 kg di Te130.

Schema della struttura di CUORE

Figura 1 - Schema della struttura di CUORE, con in evidenza tutti gli accorgimenti per ridurre al minimo il rumore ambientale.

I cristalli funzionano come bolometri, ovvero rivelatori di particelle che sfruttano come meccanismo di rivelazione l’innalzamento di calore prodotto da una particella carica che attraversa un materiale assorbitore. Uno speciale sensore di calore detto termistore, fatto di germanio e incollato alla superficie del cristallo, trasforma il segnale di calore in un segnale elettrico rilevabile.
L’innalzamento di calore dovuto al passaggio di una particella carica è molto piccolo, dell’ordine di 200 μK per MeV di energia rilasciata dalla particella, ma se la capacità termica del materiale assorbitore è sufficientemente piccola, se la temperatura del bolometro è sufficientemente bassa e se il sensore che rivela la temperatura è sufficientemente sensibile è possibile raccogliere, amplificare e rivelare il segnale con ottima efficienza.
I rivelatori bolometrici basati sull’ossido di tellurio sono usati con successo da decenni per la ricerca del decadimento doppio beta del Te130 e la loro affidabilità è tale che l’esperimento CUORE, prosecuzione naturale degli esperimenti passati, è stato approvato ed è attualmente in costruzione presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), scavati accanto a una delle gallerie autostradali che attraversano la montagna del Gran Sasso, in Abruzzo. Questi luoghi costituiscono un ambiente ideale per la ricerca di eventi rari come il decadimento doppio beta. La roccia della montagna (uno spessore equivalente a più di 3500 m di acqua) assorbe le particelle di origine cosmica creando la condizione di “silenzio cosmico” e riducendo drasticamente il contributo al fondo dovuto all’ambiente esterno.
Oltre allo schermo della montagna, CUORE è dotato di una ulteriore schermatura, necessaria per limitare al massimo il fondo dovuto alla radioattività ambientale residua presente all’interno del laboratorio. Questo schermo è composto nello strato più esterno da polietilene borato, che modera e assorbe efficacemente i neutroni, e successivamente da piombo, posizionato sia all’esterno che all’interno del refrigeratore. In particolare il piombo posizionato più vicino ai rivelatori, all’interno del refrigeratore a diluizione, è stato donato all’esperimento CUORE dalla Sopraintendenza Archeologica di Cagliari: proviene infatti dalla stiva di una nave romana affondata nelle vicinanze della costa sarda che l’INFN ha contribuito a recuperare (cfr. il riquadro in alto a destra della Figura 1). Il piombo infatti rappresenta un materiale ideale per la schermatura della radioattività, per la sua densità e il numero atomico elevato, però presenta un grave problema: la presenza di un isotopo radioattivo naturale, il Pb210, che contribuisce al fondo naturale. Fortunatamente il Pb210 si dimezza ogni 22 anni circa, quindi in lingotti di piombo che riposano da secoli in fondo al mare si può considerare praticamente scomparso.
Attualmente l’esperimento CUORE è in fase di allestimento e la sua partenza è prevista per il 2014.

Note

  1. Si tratta della teoria che attualmente descrive le interazioni elettromagnetica, nucleare forte e debole di tutte le particelle elementari conosciute. [torna su]
  2. In fisica delle particelle è conveniente misurare le masse mediante unità di misura di energia, sfruttando l’equivalenza massa-energia della relatività speciale: 1,0 eV ∼ 1,6 x 10-22 g [torna su]
  3. Questo approccio in cui la sorgente del decadimento e il rivelatore coincidono si dice calorimetrico ed è quello utilizzato nell’esperimento CUORE. Esiste anche l’approccio diverso in cui il materiale emettitore è contenuto in fogli sottili che vengono affacciati a rivelatori traccianti in grado di rivelare gli elettroni emessi. [torna su]
  4. Sono fenomeni estremamente comuni che avvengono quando un nucleo atomico è instabile e decade. In un normale mattone da un chilo avvengono circa 1200 decadimenti al secondo! [torna su]

Sull’autrice

Claudia Tomei è ricercatrice presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma. Ha lavorato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (dottorato e post-doc), collaborando a due diversi esperimenti per la rivelazione del decadimento doppio beta. Dal 2007 è membro della collaborazione CUORE.

Bibliografia

Sito dell’esperimento CUORE: http://crio.mib.infn.it/wigmi/pages/cuore.php

  1. Bilenky S. Introduction to the Physics of Massive and Mixed Neutrinos, vol. 817. Springer Verlag (2010)
  2. Barabash A. 75 years of double beta decay: yesterday, today and tomorrow URL http://arxiv.org/abs/1101.4502
  3. Fiorini E. Neutrino physics with cryogenic detectors. In Progress in Particle and Nuclear Physics, vol. 64(2) (2010)

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