Alla ricerca del neutrino di Majorana sotto la cima del Gran Sasso

A 1400 metri di profondità dalla cima del Gran Sasso un cuore di ghiaccio per lo studio degli eventi rari. Con il progetto CUPID-0 i fisici dell’Istituto Italiano di Fisica Nucleare confermano la possibilità di indagare la presenza del neutrino, la particella più sfuggente e affasciante della fisica moderna.

Cosa succede sotto il Gran Sasso?

Ai piedi della cima Gran Sasso in Abruzzo sotto chilometri di roccia dolomitica dal 1985, anno dell’istituzione dei Laboratori Nazionali del Gran sasso, scienziati da tutto il mondo provano a rispondere alle grandi domande sull’Universo e sullo sbilanciamento tra materia e antimateria che garantisce la realtà che ci circonda. Decine sono i progetti scientifici riguardanti la fisica astro-particellare e nucleare, tra cui cattura della materia oscura, decadimenti rari e fisica dei neutrini, particelle postulate più di un secolo fa.

Prodotti naturalmente dalle reazioni nucleari solari o in esplosioni di supernova, sono le particelle più abbondanti, più elusive e sfuggenti della fisica moderna. Il neutrino per la sua abbondanza risulta particolare, una particella come definita da Majorana la cui antiparticella coincide con sé stessa. Osservare il neutrino di Majorana spiegherebbe lo sbilanciamento di materia e antimateria andando oltre il Modello Standard, la teoria con cui spieghiamo il comportamento delle particelle conosciute.

Un progetto nel cuore della montagna

Con il progetto CUORE (Osservatorio Criogenico Sotterraneo per la Fisica degli Eventi Rari) e l’upgrade a CUPID-0 i fisici dell’Istituto Italiano di Fisica Nucleare stanno mettendo le basi per aumentare sempre più la probabilità di osservare la presenza del neutrino. Come? Studiando il fenomeno fisico di decadimento di particelle con un bolometro (rivelatore che lavora a temperature criogeniche) immerso all’interno di un criostato che manterrà la temperatura di rivelazione. Per il neutrino si studia il decadimento doppio beta senza emissione di neutrini, un processo in cui il protagonista è un nucleo che decade in due particelle, due elettroni senza l’emissione della loro antiparticella.

Come avviene l'esperimento

L’esperimento avviene nel grande cuore di ghiaccio sotto chilometri di roccia per proteggere da qualsiasi radiazione esterna che potrebbe alterarne l’osservazione. In profondità, un rivelatore composto da cristalli principalmente a base di elementi quali litio e isotopi di molibdeno viene mantenuto a temperature criogeniche cioè intorno a pochi millesimi di grado(circa meno di 10millikelvin), ovvero qualche grado sopra lo zero assoluto cercando di osservare la presenza del neutrino.

La rilevazione avviene registrando un sensibile aumento di temperatura dovuto al rilascio di energia associato al decadimento. In particolare, il progetto CUPID-0 è volto a combinare al rilascio di energia termica anche l’emissione di luce usando materiale scintillante che va ad interagire e rilasciare luce o bagliori. Come emerge da un articolo da poco pubblicato sulle pagine della Physical Review Letters, l’esperimento pilota CUPID-0 è stato portato a termine e con grande successo. Questo step ha dimostrato come grazie all’osservazione dell’emissione di luce associata tipicamente a un decadimento di tipo alfa si possa distinguere l’emissione beta associata esattamente al neutrino e ridurre ancor di più il rumore detto di fondo che ne altera la misurazione. Questo porta i ricercatori sempre più vicini alla grande sfida posta da questi studi osservare.

La sfida prosegue con Cupid

Questo è l’inizio per lo sviluppo di un progetto molto più ambizioso e complesso di portata internazionale di nome CUPID (Cuore Upgrade with Particle IDentification) Un progetto che proseguirà la ricerca del neutrino utilizzando condizione ancora più critiche per fondo quasi condizione di fondo zero. L’esperimento ora è in fase di ricerca e sviluppo ma ci si attende di migliorare di 100 volte la sensibilità del segnale ottenuto da CUORE.

All’interno di uno tra i parchi natura più affascinanti d’Italia si concentra quindi la ricerca sulla materia oscura (circa il 25%), assioni e neutrini da supernova andando a indagare interazioni fisiche e scoprire i tanti enigmi dell’universo unendo in un solo luogo natura, conservazione e scienza dell’universo.