Il primo assaggio di dati dall'intera gamma di un rivelatore di particelle profondamente raffreddato che opera sotto una montagna in Italia stabilisce i limiti più precisi su dove gli scienziati potrebbero trovare un processo teorizzato per aiutare a spiegare perché c'è più materia che antimateria nell'universo.

Questo nuovo risultato, pubblicato online su arXiv.org e inviato oggi alla rivista Lettere di revisione fisica , si basa su due mesi di dati raccolti dal rivelatore completo dell'esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia. CUORE significa "cuore" in italiano.

Il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia guida lo sforzo di fisica nucleare degli Stati Uniti per la collaborazione internazionale CUORE, che conta circa 150 membri provenienti da 25 istituzioni. Il programma di fisica nucleare degli Stati Uniti ha dato contributi sostanziali alla fabbricazione e alla leadership scientifica del rivelatore CUORE.

CUORE è considerato uno degli sforzi più promettenti per determinare se minuscole particelle elementari chiamate neutrini, che interagiscono solo raramente con la materia, sono "particelle Majorana" - identiche alle proprie antiparticelle. La maggior parte delle altre particelle sono note per avere antiparticelle che hanno la stessa massa ma una carica diversa, Per esempio. CUORE potrebbe anche aiutarci a capire le masse esatte dei tre tipi, o "sapori, " dei neutrini - i neutrini hanno l'insolita capacità di trasformarsi in forme diverse.

"Questa è la prima anteprima di cosa è in grado di fare uno strumento di queste dimensioni, " disse Oliviero Cremonesi, scienziato senior della facoltà dell'INFN e portavoce della collaborazione CUORE. Già, la sensibilità dell'intero array di rivelatori ha superato la precisione delle misurazioni riportate nell'aprile 2015 dopo un test di due anni di successo che ha coinvolto una torre di rivelatori. Nei prossimi cinque anni CUORE raccoglierà circa 100 volte più dati.

Yury Kolomensky, uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze nucleari presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e portavoce degli Stati Uniti per la collaborazione CUORE, disse, "Il rilevatore sta funzionando eccezionalmente bene e questi due mesi di dati sono sufficienti per superare i limiti precedenti". Kolomensky è anche professore presso il Dipartimento di Fisica dell'UC Berkeley.

I nuovi dati forniscono una gamma ristretta in cui gli scienziati potrebbero aspettarsi di vedere qualsiasi indicazione del processo particellare che è stato progettato per trovare, noto come doppio decadimento beta senza neutrini.

"CUORE è, in sostanza, uno dei termometri più sensibili al mondo, " disse Carlo Bucci, coordinatore tecnico dell'esperimento e portavoce italiano della collaborazione CUORE. I suoi rivelatori, formato da 19 "torri" incorniciate in rame che ospitano ciascuna una matrice di 52 a forma di cubo, cristalli di biossido di tellurio altamente purificati, sono sospesi all'interno della camera più interna di sei serbatoi annidati.

Raffreddato dal frigorifero più potente del suo genere, i serbatoi sottopongono il rivelatore alla temperatura più fredda nota registrata in un volume di un metro cubo nell'intero universo:meno 459 gradi Fahrenheit (10 milliKelvin).

L'array di rivelatori è stato progettato e assemblato in un periodo di 10 anni. È schermato da molte particelle esterne, come i raggi cosmici che bombardano costantemente la Terra, dall'1, 400 metri di roccia sopra di esso, e da una spessa schermatura di piombo che include una forma di piombo impoverita dalle radiazioni salvata da un antico naufragio romano. Altri materiali rivelatori sono stati preparati anche in condizioni ultrapure, e i rivelatori sono stati assemblati in riempiti di azoto, scatole a guanti sigillate per prevenire la contaminazione dall'aria normale.

"Progettare, costruzione, e operare CUORE è stato un lungo viaggio e un traguardo fantastico, " disse Ettore Fiorini, un fisico italiano che sviluppò il concetto dei rivelatori termosensibili di CUORE (bolometri al biossido di tellurio), e il portavoce-emerito della collaborazione CUORE. "L'utilizzo di rilevatori termici per studiare i neutrini ha richiesto diversi decenni e ha portato allo sviluppo di tecnologie che ora possono essere applicate in molti campi di ricerca".

Insieme pesano più di 1, 600 libbre, La matrice di CUORE di cristalli delle dimensioni di un pugno è estremamente sensibile ai processi particellari, soprattutto a questa temperatura estrema. Gli strumenti associati possono misurare con precisione variazioni di temperatura sempre lievi nei cristalli risultanti da questi processi.

Gli scienziati del Berkeley Lab e del Lawrence Livermore National Laboratory hanno fornito circa la metà dei cristalli per il progetto CUORE. Inoltre, il team del Berkeley Lab ha progettato e fabbricato i sensori di temperatura altamente sensibili - chiamati termistori drogati con trasmutazione di neutroni - inventati da Eugene Haller, uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e un membro della facoltà dell'UC Berkeley.

I ricercatori del Berkeley Lab hanno anche progettato e costruito una camera bianca specializzata fornita di aria impoverita di radioattività naturale, in modo che i rivelatori CUORE possano essere installati nel criostato in condizioni ultrapulite. E scienziati e ingegneri del Berkeley Lab, sotto la guida del postdoc dell'UC Berkeley Vivek Singh, ha lavorato con colleghi italiani per commissionare i sistemi criogenici CUORE, compreso un sistema di raffreddamento straordinariamente potente chiamato frigorifero a diluizione.

Gli ex studenti post-dottorato dell'UC Berkeley Tom Banks e Tommy O'Donnell, che aveva anche incarichi congiunti nella divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab, ha guidato il team internazionale di fisici, ingegneri, e tecnici per assemblare oltre 10, 000 parti in torri in scatole a guanti riempite di azoto. Hanno legato quasi 8, 000 fili d'oro, misurando solo 25 micron di diametro, a pad da 100 micron sui sensori di temperatura, e su piazzole di rame collegate al cablaggio del rilevatore.

Le misurazioni CUORE portano la firma rivelatrice di tipi specifici di interazioni tra particelle o decadimenti di particelle, un processo spontaneo mediante il quale una o più particelle si trasformano in altre particelle.

Nel doppio decadimento beta, che è stato osservato in precedenti esperimenti, due neutroni nel nucleo atomico di un elemento radioattivo diventano due protoni. Anche, vengono emessi due elettroni, insieme ad altre due particelle chiamate antineutrini.

Decadimento doppio beta senza neutrini, nel frattempo - il processo specifico che CUORE si prefigge di individuare o di escludere - non produrrebbe alcun antineutrino. Ciò significherebbe che i neutrini sono le loro antiparticelle. Durante questo processo di decadimento le due particelle di antineutrino si eliminerebbero efficacemente a vicenda, senza lasciare traccia nel rivelatore CUORE. Le prove di questo tipo di processo di decadimento aiuterebbero anche gli scienziati a spiegare il ruolo dei neutrini nello squilibrio tra materia e antimateria nel nostro universo.

Si prevede che il doppio decadimento beta senza neutrini sia estremamente raro, che si verificano al massimo (se non del tutto) una volta ogni 100 settillion (1 seguito da 26 zeri) nel nucleo di un dato atomo. Il grande volume di cristalli del rivelatore ha lo scopo di aumentare notevolmente la probabilità di registrare un tale evento durante la vita dell'esperimento.

Esiste una crescente concorrenza da parte di esperimenti nuovi e pianificati per stabilire se questo processo esiste utilizzando una varietà di tecniche di ricerca, e Kolomensky ha notato, "La competizione aiuta sempre. Guida il progresso, e possiamo anche verificare i risultati degli altri, e aiutarsi a vicenda con lo screening dei materiali e le tecniche di analisi dei dati."

Lindley Winslow del Massachusetts Institute of Technology, che ha coordinato l'analisi dei dati CUORE, disse, "Siamo allettanti vicini a un territorio completamente inesplorato e ci sono grandi possibilità di scoperta. È un momento emozionante per partecipare all'esperimento".