Questa settimana, un team internazionale di fisici, compresi i ricercatori del MIT, riporta i primi risultati di un esperimento sotterraneo progettato per rispondere a una delle domande fondamentali della fisica:perché il nostro universo è fatto principalmente di materia?

Secondo la teoria, il Big Bang avrebbe dovuto produrre quantità uguali di materia e antimateria, quest'ultima costituita da "antiparticelle" che sono essenzialmente immagini speculari della materia, recanti solo cariche opposte a quelle dei protoni, elettroni, neutroni, e altre controparti di particelle. E ancora, viviamo in un universo decisamente materiale, fatto principalmente di galassie, stelle, pianeti, e tutto ciò che vediamo intorno a noi e pochissima antimateria.

I fisici ipotizzano che qualche processo debba aver inclinato l'equilibrio a favore della materia durante i primi momenti successivi al Big Bang. Uno di questi processi teorici coinvolge il neutrino, una particella che, nonostante non abbia quasi massa e interagisca molto poco con altra materia, si pensa che permei l'universo, con trilioni di particelle simili a fantasmi che fluiscono innocue attraverso i nostri corpi ogni secondo.

C'è la possibilità che il neutrino possa essere la sua stessa antiparticella, il che significa che può avere la capacità di trasformarsi tra una versione di materia e di antimateria di se stessa. Se le cose stanno così, i fisici credono che questo possa spiegare lo squilibrio dell'universo, come neutrini più pesanti, prodotto subito dopo il Big Bang, sarebbe decaduto in modo asimmetrico, producendo più materia, piuttosto che antimateria, versioni di se stessi.

Un modo per confermare che il neutrino è la sua stessa antiparticella, consiste nel rilevare un processo estremamente raro noto come "decadimento doppio beta senza neutrini, " in cui un isotopo stabile, come il tellurio o lo xeno, emette alcune particelle, inclusi elettroni e antineutrini, in quanto decade naturalmente. Se il neutrino è davvero l'antiparticella di se stessa, poi secondo le regole della fisica gli antineutrini dovrebbero annullarsi a vicenda, e questo processo di decadimento dovrebbe essere "senza neutrini". Qualsiasi misura di questo processo dovrebbe registrare solo gli elettroni che fuoriescono dall'isotopo.

L'esperimento sotterraneo denominato CUORE, per l'Osservatorio Criogenico Sotterraneo per Eventi Rari, è progettato per rilevare un decadimento doppio beta senza neutrini dal decadimento naturale di 988 cristalli di biossido di tellurio. In un articolo pubblicato questa settimana in Lettere di revisione fisica , ricercatori, compresi i fisici del MIT, report sui primi due mesi di dati raccolti da CUORE (italiano per "cuore"). E mentre non hanno ancora rilevato il processo rivelatore, sono stati in grado di fissare i limiti più rigorosi fino ad ora sulla quantità di tempo che tale processo dovrebbe richiedere, se esiste del tutto. Sulla base dei loro risultati, stimano che un singolo atomo di tellurio dovrebbe subire un decadimento doppio beta senza neutrini, al massimo, una volta ogni 10 settillion (1 seguito da 25 zeri) anni.

Tenendo conto dell'enorme numero di atomi all'interno dei 988 cristalli dell'esperimento, i ricercatori prevedono che entro i prossimi cinque anni dovrebbero essere in grado di rilevare almeno cinque atomi sottoposti a questo processo, se esiste, fornendo la prova definitiva che il neutrino è la sua stessa antiparticella.

"È un processo molto raro, se osservato, sarebbe la cosa più lenta che sia mai stata misurata, " afferma Lindley Winslow, membro di CUORE, il Jerrold R. Zacharias Career Development Assistant Professor di Fisica al MIT, che ha condotto l'analisi. "La grande eccitazione qui è che siamo stati in grado di eseguire 998 cristalli insieme, e ora siamo sulla strada giusta per provare a vedere qualcosa".

La collaborazione CUORE comprende circa 150 scienziati principalmente italiani e statunitensi, tra cui Winslow e un piccolo team di postdoc e studenti laureati del MIT.

Il cubo più freddo dell'universo

L'esperimento CUORE è ospitato nel sottosuolo, sepolto nel profondo di una montagna nell'Italia centrale, al fine di schermarlo da stimoli esterni come il costante bombardamento di radiazioni da sorgenti nell'universo.

Il cuore dell'esperimento è un rivelatore composto da 19 torri, ciascuno contenente 52 cristalli cubici di biossido di tellurio, per un totale di 988 cristalli in tutto, con una massa di circa 742 chilogrammi, o 1, 600 libbre. Gli scienziati stimano che questa quantità di cristalli incorpori circa 100 settilioni di atomi del particolare isotopo del tellurio. L'elettronica e i sensori di temperatura sono collegati a ciascun cristallo per monitorare i segni del loro decadimento.

L'intero rivelatore risiede all'interno di un frigorifero ultrafreddo, delle dimensioni di un distributore automatico, che mantiene una temperatura costante di 6 millikelvin, o -459,6 gradi Fahrenheit. I ricercatori della collaborazione hanno precedentemente calcolato che questo frigorifero è il metro cubo più freddo che esiste nell'universo.

L'esperimento deve essere mantenuto estremamente freddo per rilevare i minimi cambiamenti di temperatura generati dal decadimento di un singolo atomo di tellurio. In un normale processo di decadimento a doppio beta, un atomo di tellurio emette due elettroni, oltre a due antineutrini, che ammontano a una certa energia sotto forma di calore. In caso di decadimento doppio beta senza neutrini, i due antineutrini dovrebbero annullarsi a vicenda, e verrebbe generata solo l'energia rilasciata dai due elettroni. I fisici hanno precedentemente calcolato che questa energia deve essere di circa 2,5 megaelettronvolt (Mev).

Nei primi due mesi di attività di CUORE, gli scienziati hanno essenzialmente misurato la temperatura dei 988 cristalli di tellurio, alla ricerca di un minuscolo picco di energia intorno a quel segno di 2,5 Mev.

"CUORE è come un gigantesco termometro, " dice Winslow. "Ogni volta che vedi un deposito di calore su un cristallo, finisci per vedere un impulso che puoi digitalizzare. Poi attraversi e guardi questi impulsi, e l'altezza e la larghezza dell'impulso corrispondono a quanta energia c'era. Quindi ingrandisci e conta quanti eventi erano a 2,5 Mev, e praticamente non abbiamo visto niente. Il che è probabilmente positivo perché non ci aspettavamo di vedere nulla nei primi due mesi di dati".

Il cuore andrà avanti

I risultati indicano più o meno che, all'interno della breve finestra in cui CUORE ha finora operato, non uno dei 1, 000 settillion atomi di tellurio nel rivelatore hanno subito un doppio decadimento beta senza neutrini. Statisticamente parlando, questo significa che ci vorrebbero almeno 10 settillion anni, o anni, che un singolo atomo subisca questo processo se un neutrino è in effetti la sua antiparticella.

"Per il biossido di tellurio, questo è il miglior limite per la vita di questo processo che abbiamo mai ottenuto, " dice Winslow.

CUORE continuerà a monitorare i cristalli per i prossimi cinque anni, e i ricercatori stanno ora progettando la prossima generazione dell'esperimento, che hanno soprannominato CUPIDO, un rivelatore che cercherà lo stesso processo all'interno di un numero ancora maggiore di atomi. Oltre CUPIDO, Winslow dice che ce n'è solo uno in più, iterazione più grande che sarebbe possibile, prima che gli scienziati possano trarre una conclusione definitiva.

"Se non lo vediamo entro 10-15 anni, poi, a meno che la natura non abbia scelto qualcosa di veramente strano, il neutrino molto probabilmente non è la sua stessa antiparticella, " dice Winslow. "La fisica delle particelle ti dice che non c'è molto più spazio di manovra perché il neutrino sia ancora la sua stessa antiparticella, e che tu non l'abbia visto. Non ci sono molti posti dove nascondersi".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.