L’esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), ospitato nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN, cerca minuscole fluttuazioni di temperatura causate da un processo rarissimo ancora mai osservato: il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini. Questo processo, se osservato, potrebbe contribuire a risolvere molte fondamentali questioni della fisica ancora aperte come, per esempio, perché l’universo è fatto di materia, anziché di antimateria. Ora, la collaborazione CUORE ha stabilito nuovi limiti su quanto spesso si verificherebbe il doppio decadimento beta senza neutrini in un atomo di tellurio: in media, non più di una volta ogni 35 milioni di miliardi di miliardi di anni (3,5x1025 anni). I risultati sono stati ottenuti grazie all’analisi della più vasta collezione di dati mai raccolta con questa tecnica e anche grazie a un nuovo algoritmo che serve a “pulire” i dati. I risultati sono riportati in un articolo pubblicato sulla rivista Science.
CUORE è un rivelatore che utilizza cristalli invece dei più comuni serbatoi di liquido o gas per registrare con precisione l’energia dei decadimenti: l’esperimento impiega 988 cristalli di diossido di tellurio raffreddati a 10 millikelvin, circa -273,14 °C, solo 0,01 K sopra lo zero assoluto. Se un nucleo in uno dei cristalli subisce il decadimento cercato, il rivelatore registra una caratteristica variazione di temperatura. Ma per ricercare eventi così rari, i cui effetti sono davvero impercettibili, CUORE necessita di essere estremamente sensibile, così sensibile da percepire anche effetti incredibilmente flebili, come le onde del mare che si infrangono sulla costa a 50 chilometri di distanza, e persino i terremoti dall’altro capo del mondo. Per facilitare l’identificazione del raro processo ricercato, CUORE ha perciò dovuto affinare un nuovo algoritmo in grado di gestire meglio i segnali di disturbo, eliminando i rumori di fondo, un po’ come accade negli auricolari con cancellazione del rumore.
“CUORE e l’area intorno al rivelatore sono dotati di oltre due dozzine di sensori che misurano temperatura, suono, vibrazioni e interferenze elettriche”, ha spiegato Simone Quitadamo, ricercatore all’Università di Milano-Bicocca, che durante il suo dottorato al Gran Sasso Science Institute ha studiato come le onde marine influenzano il rivelatore. Tra i sensori ci sono microfoni per captare le voci umane, accelerometri per monitorare le vibrazioni delle pompe di raffreddamento e sismometri per registrare movimenti a bassa frequenza come i terremoti. Gli stessi 988 cristalli di diossido di tellurio agiscono come sensori ambientali.
“Le tecniche che abbiamo sviluppato per sottrarre il rumore potrebbero essere utili anche per altri rivelatori sensibili, inclusi quelli che studiano la materia oscura e le onde gravitazionali”, ha sottolineato Chiara Brofferio, professoressa all’Università di Milano-Bicocca e ricercatrice all’INFN, responsabile della collaborazione italiana dell’esperimento CUORE.
L’approccio sarà utile anche per CUPID (CUORE Upgrade with Particle IDentification), l’esperimento di nuova generazione che potrebbe proseguire la caccia al doppio decadimento beta senza neutrini. “Siamo incredibilmente curiosi di sapere se il processo del doppio decadimento beta senza neutrini esiste perché, se così fosse, influenzerebbe molte delle nostre teorie fondamentali”, ha spiegato Irene Nutini, ricercatrice alla Sezione INFN di Milano-Bicocca e una delle tre coordinatrici delle analisi di CUORE. “Per esempio, potrebbe aiutarci a spiegare perché i neutrini sono così leggeri rispetto ad altre particelle, o perché l’universo è dominato dalla materia”.
CUORE ha iniziato a operare nel 2017 e raccoglie dati in modo continuo dal 2019, stabilendo un record per aver mantenuto così tanto materiale a temperature così basse per così tanto tempo. L’esperimento prevede di completare la raccolta dati nel 2026. La collaborazione internazionale coinvolge oltre 20 istituzioni. L’esperimento, operativo presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, è guidato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e dal Department of Energy (DOE) degli Stati Uniti, attraverso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley, California).