In un laboratorio sotto una montagna, i fisici stanno usando cristalli molto più freddi dell'aria congelata per studiare le particelle spettrali, sperando di apprendere i segreti dall'inizio dell'universo. I ricercatori del Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) hanno annunciato questa settimana di aver posto alcuni dei limiti più severi alla strana possibilità che il neutrino sia la sua stessa antiparticella. I neutrini sono particelle profondamente insolite, così eteree e così onnipresenti che passano regolarmente attraverso i nostri corpi senza che ce ne accorgiamo. CUORE ha trascorso gli ultimi tre anni aspettando pazientemente di vedere le prove di un caratteristico processo di decadimento nucleare, possibile solo se neutrini e antineutrini sono la stessa particella. I nuovi dati di CUORE mostrano che questo decadimento non avviene per trilioni di trilioni di anni, se mai accade. I limiti di CUORE sul comportamento di questi minuscoli fantasmi sono una parte cruciale della ricerca della prossima svolta nella fisica nucleare e delle particelle, e la ricerca delle nostre origini.

"In definitiva, stiamo cercando di capire la creazione della materia", ha affermato Carlo Bucci, ricercatore dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italia e portavoce di CUORE. "Stiamo cercando un processo che violi una simmetria fondamentale della natura", ha aggiunto Roger Huang, ricercatore post-dottorato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di Energia e uno degli autori principali del nuovo studio.

CUORE—italiano per "cuore"—è tra gli esperimenti di neutrini più sensibili al mondo. I nuovi risultati di CUORE si basano su un set di dati dieci volte più grande di qualsiasi altra ricerca ad alta risoluzione, raccolta negli ultimi tre anni. CUORE è gestito da una collaborazione di ricerca internazionale, guidata dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia e dal Berkeley Lab negli Stati Uniti. Il rivelatore CUORE stesso si trova sotto quasi un miglio di roccia solida presso LNGS, una struttura dell'INFN. I fisici nucleari supportati dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti svolgono un ruolo scientifico e tecnico di primo piano in questo esperimento. I nuovi risultati di CUORE sono stati pubblicati oggi su Natura .

Particelle peculiari

I neutrini sono ovunque:ci sono trilioni di neutrini che passano solo attraverso la tua miniatura mentre leggi questa frase. Sono invisibili alle due forze più forti dell'universo, l'elettromagnetismo e la forte forza nucleare, che consente loro di passare attraverso di te, la Terra e quasi qualsiasi altra cosa senza interagire. Nonostante il loro vasto numero, la loro natura enigmatica li rende molto difficili da studiare e ha lasciato i fisici a grattarsi la testa da quando sono stati postulati per la prima volta oltre 90 anni fa. Non si sapeva nemmeno se i neutrini avessero una massa fino alla fine degli anni '90, a quanto pare lo hanno, anche se non molto.

Una delle tante domande aperte sui neutrini è se siano le loro stesse antiparticelle. Tutte le particelle hanno antiparticelle, la loro controparte di antimateria:gli elettroni hanno antielettroni (positroni), i quark hanno antiquark e neutroni e protoni (che costituiscono i nuclei degli atomi) hanno antineutroni e antiprotoni. Ma a differenza di tutte quelle particelle, è teoricamente possibile che i neutrini siano le loro stesse antiparticelle. Tali particelle che sono le loro stesse antiparticelle furono postulate per la prima volta dal fisico italiano Ettore Majorana nel 1937 e sono conosciute come fermioni di Majorana.

Se i neutrini sono fermioni di Majorana, ciò potrebbe spiegare una profonda domanda alla radice della nostra stessa esistenza:perché nell'universo c'è così tanta più materia che antimateria. I neutrini e gli elettroni sono entrambi leptoni, una specie di particella fondamentale. Una delle leggi fondamentali della natura sembra essere che il numero di leptoni è sempre conservato:se un processo crea un leptone, deve anche creare un anti-leptone per bilanciarlo. Allo stesso modo, particelle come protoni e neutroni sono conosciute come barioni e anche il numero barionico sembra essere conservato. Tuttavia, se i numeri barionico e leptonico fossero sempre conservati, allora nell'universo ci sarebbe esattamente tanta materia quanta l'antimateria - e nell'universo primordiale, la materia e l'antimateria si sarebbero incontrate e annientate, e noi non esisteremmo. Qualcosa deve violare l'esatta conservazione di barioni e leptoni. Entra nel neutrino:se i neutrini sono le loro stesse antiparticelle, allora il numero leptonico non dovrebbe essere conservato e la nostra esistenza diventa molto meno misteriosa.

"L'asimmetria materia-antimateria nell'universo è ancora inspiegabile", ha detto Huang. "Se i neutrini sono le loro stesse antiparticelle, questo potrebbe aiutare a spiegarlo."

Né questa è l'unica domanda a cui potrebbe rispondere un neutrino Majorana. L'estrema leggerezza dei neutrini, circa un milione di volte più leggeri dell'elettrone, è da tempo sconcertante per i fisici delle particelle. Ma se i neutrini sono le loro stesse antiparticelle, allora una soluzione esistente nota come "meccanismo altalenante" potrebbe spiegare la leggerezza dei neutrini in modo elegante e naturale.

Un raro dispositivo per rari decadimenti

Ma determinare se i neutrini siano le loro stesse antiparticelle è difficile, proprio perché non interagiscono molto spesso. Il miglior strumento dei fisici per cercare i neutrini di Majorana è un ipotetico tipo di decadimento radioattivo chiamato decadimento doppio beta senza neutrini. Il decadimento beta è una forma abbastanza comune di decadimento in alcuni atomi, trasformando un neutrone nel nucleo dell'atomo in un protone, cambiando l'elemento chimico dell'atomo ed emettendo un elettrone e un antineutrino nel processo. Il doppio decadimento beta è più raro:invece di un neutrone che si trasforma in un protone, due di loro lo fanno, emettendo due elettroni e due antineutrini nel processo. Ma se il neutrino è un fermione di Majorana, allora teoricamente ciò consentirebbe a un singolo neutrino "virtuale", agendo come propria antiparticella, di prendere il posto di entrambi gli antineutrini in doppio decadimento beta. Solo i due elettroni uscirebbero dal nucleo atomico. Il decadimento del doppio beta senza neutrini è stato teorizzato per decenni, ma non è mai stato visto.

L'esperimento CUORE ha fatto di tutto per catturare gli atomi di tellurio nell'atto di questo decadimento. L'esperimento utilizza quasi mille cristalli altamente puri di ossido di tellurio, del peso complessivo di oltre 700 kg. Questo tanto tellurio è necessario perché, in media, impiega miliardi di volte più tempo dell'età attuale dell'universo perché un singolo atomo instabile di tellurio subisca un normale decadimento doppio beta. Ma ci sono trilioni di trilioni di atomi di tellurio in ciascuno dei cristalli utilizzati da CUORE, il che significa che il normale doppio decadimento beta avviene abbastanza regolarmente nel rivelatore, circa alcune volte al giorno in ciascun cristallo. Il doppio decadimento beta senza neutrini, ammesso che si verifichi, è ancora più raro, e quindi il team CUORE deve lavorare sodo per rimuovere quante più fonti di radiazione di fondo possibile. Per schermare il rivelatore dai raggi cosmici, l'intero sistema si trova sotto la montagna del Gran Sasso, la montagna più grande della penisola italiana. Ulteriore schermatura è fornita da diverse tonnellate di piombo. Ma il piombo appena estratto è leggermente radioattivo a causa della contaminazione da uranio e altri elementi, con quella radioattività che diminuisce nel tempo, quindi il piombo utilizzato per circondare la parte più sensibile di CUORE è principalmente piombo recuperato da un'antica nave romana affondata, di quasi 2000 anni .

Forse il macchinario più impressionante utilizzato da CUORE è il criostato, che mantiene freddo il rivelatore. Per rilevare il doppio decadimento beta senza neutrini, la temperatura di ciascun cristallo nel rivelatore CUORE viene attentamente monitorata con sensori in grado di rilevare una variazione di temperatura di appena un decimillesimo di grado Celsius. Il doppio decadimento beta senza neutrini ha una firma energetica specifica e aumenterebbe la temperatura di un singolo cristallo di una quantità ben definita e riconoscibile. Ma per mantenere quella sensibilità, il rivelatore deve essere mantenuto molto freddo, in particolare, è mantenuto a circa 10 mK, un centesimo di grado sopra lo zero assoluto. "Questo è il metro cubo più freddo dell'universo conosciuto", ha affermato Laura Marini, ricercatrice presso l'Istituto di scienze del Gran Sasso e coordinatrice di corsa del CUORE. La sensibilità risultante del rivelatore è davvero fenomenale. "Quando ci sono stati grandi terremoti in Cile e Nuova Zelanda, ne abbiamo effettivamente visti scorci nel nostro rivelatore", ha detto Marini. "Possiamo anche vedere le onde che si infrangono sulla riva del mare Adriatico, a 60 chilometri di distanza. Quel segnale diventa più forte in inverno, quando ci sono tempeste."

Un neutrino attraverso il cuore

Nonostante quella sensibilità fenomenale, CUORE non ha ancora visto prove di un doppio decadimento beta senza neutrini. Invece, CUORE ha stabilito che, in media, questo decadimento si verifica in un singolo atomo di tellurio non più di una volta ogni 22 trilioni di trilioni di anni. "Il doppio decadimento beta senza neutrini, se osservato, sarà il processo più raro mai osservato in natura, con un'emivita di oltre un milione di miliardi di volte superiore all'età dell'universo", ha affermato Danielle Speller, assistente professore alla Johns Hopkins University e membro del Consiglio di Fisica CUORE. "CUORE potrebbe non essere abbastanza sensibile per rilevare questo decadimento anche se si verifica, ma è importante verificarlo. A volte la fisica produce risultati sorprendenti, ed è allora che impariamo di più". Anche se CUORE non trova prove di decadimento doppio-beta senza neutrini, sta aprendo la strada alla prossima generazione di esperimenti. Il successore di CUORE, il CUORE Upgrade with Particle Identification (CUPID) è già in lavorazione. CUPIDO sarà oltre 10 volte più sensibile di CUORE, consentendogli potenzialmente di intravedere l'evidenza di un neutrino di Majorana.

Ma a prescindere da qualsiasi altra cosa, CUORE è un trionfo scientifico e tecnologico, non solo per i suoi nuovi limiti al tasso di decadimento doppio beta senza neutrini, ma anche per la sua dimostrazione della sua tecnologia criostato. "È il più grande frigorifero del suo genere al mondo", ha affermato Paolo Gorla, uno scienziato del personale di LNGS e coordinatore tecnico di CUORE. "Ed è stato mantenuto a 10 mK ininterrottamente per circa tre anni." Tale tecnologia ha applicazioni ben oltre la fisica delle particelle fondamentali. In particolare, può trovare impiego nell'informatica quantistica, dove mantenere grandi quantità di macchinari sufficientemente freddi e schermati dalle radiazioni ambientali per manipolarli a livello quantistico è una delle principali sfide ingegneristiche nel campo.

Nel frattempo, CUORE non ha ancora finito. "Saremo operativi fino al 2024", ha detto Bucci. "Sono entusiasta di vedere cosa troviamo." + Esplora ulteriormente

L'esperimento CUORE vincola le proprietà dei neutrini