Si inaugura CUORE: il gigante freddo che studia neutrini

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Il 23 Ottobre 2017 è stato inaugurato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell'INFN l'esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) concepito per studiare le proprietà dei neutrini. Nei primi due mesi di presa dati, l'esperimento è già riuscito a restringere significativamente la regione in cui cercare il rarissimo fenomeno del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, suo principale obiettivo scientifico. Rivelare questo processo consentirebbe non solo di determinare la massa dei neutrini, ma anche di dimostrare la loro eventuale natura di particelle di Majorana, fornendo una possibile spiegazione alla prevalenza della materia sull'antimateria nell'universo.

CUORE è il più grande rivelatore criogenico mai costruito, un gigante di 741 chili realizzato con una tecnologia basata su cristalli cubici di tellurite progettati per funzionare a temperature bassissime: 10 millesimi di grado sopra lo zero assoluto. La sua struttura è formata da 19 torri costituite ciascuna da una matrice di 52 cristalli purificati da qualunque altro tipo di materiale. Il tutto è sospeso all'interno del più freddo dei 6 gusci di rame che costituiscono il criostato, la più ardita sfida tecnologica. L'esperimento lavora in condizioni ambientali di estrema purezza, in particolare di bassissima radioattività, grazie anche ad uno speciale scudo protettivo realizzato dalla fusione di lingotti di piombo recuperati da una nave romana affondata oltre 2000 anni fa.

L'esperimento è una collaborazione internazionale formata da oltre 150 scienziati provenienti da venticinque istituzioni prevalentemente italiane e americane. Per l'Italia partecipa l'INFN con le sezioni di Bologna, Genova, Milano Bicocca, Padova e Roma oltre ai Laboratori Nazionali di Frascati, Gran Sasso e Legnaro. A queste si aggiungono le Università di Bologna, Genova, Milano Bicocca e Roma La Sapienza.

Il gruppo di fisici, tecnici e tecnologi dell'Università ed INFN di Bologna ha contribuito attivamente alla costruzione e alla messa a punto del rivelatore, assumendo tra le altre cose la responsabilità dello stoccaggio in atmosfera controllata presso i laboratori dell'LNGS degli oltre 1000 cristali di tellurite prodotti in Cina, della realizzazione del sistema di monitoraggio degli apparati e supervisione dei processi di raccolta dati, e di un sistema ambientale di sismometri per l'identificazione dei rumori vibrazionali.

Il neutrino di Majorana e il mistero dell'asimmetria tra materia e antimateria
Nella sua accezione più comune, il doppio decadimento beta è un processo nel quale, all'interno di un nucleo, due neutroni si trasformano in due protoni, emettendo due elettroni e due anti-neutrini. Nel doppio decadimento beta senza emissione di neutrini non vi è invece emissione di neutrini grazie al fatto che uno degli antineutrini si è trasformato, all'interno del nucleo, in neutrino. Il Modello Standard delle interazioni fondamentali prevede che i neutrini non possano subire questa trasformazione. Ma se, come ipotizzato negli anni '30 dal fisico italiano Ettore Majorana, i neutrini e gli antineutrini fossero due manifestazioni della stessa particella, come le due facce di una stessa moneta, la transizione tra materia e antimateria risulterebbe possibile. Questo fenomeno, seppur estremamente raro, potrebbe esser stato frequente nell'universo primordiale, immediatamente dopo il Big Bang e aver determinato la prevalenza della materia sull'antimateria.