Scienza e ricerca

L'interno del Laboratorio del Gran Sasso. Foto: Enrico Bossan/contrasto

Scienza e ricerca

Un’ineguagliata purezza per dare la caccia al neutrino di Majorana

9 maggio 2017

L’esperimento GERDA ai Laboratori nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ha raggiunto un importantissimo traguardo scientifico nella ricerca (ahimè ancora senza successo) del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini. I dettagli sono pubblicati su Nature.

In questo particolare decadimento, due neutroni all’interno di un nucleo decadono simultaneamente in due protoni e due elettroni (detti anche particelle beta): la somma delle energie dei due elettroni coincide con l’energia rilasciata nel decadimento. La misura di questa specifica energia costituisce la firma principale per poterlo identificare.

Questo decadimento è strettamente connesso con lo studio dei neutrini, particelle molto difficili da rivelare perché interagiscono pochissimo con la materia. Giocano però un ruolo centrale nel funzionamento delle stelle, nell’esplosione delle supernovae e nella formazione degli elementi durante il Big Bang. Una loro proprietà fondamentale è al momento ancora sconosciuta: i neutrini sono particelle di Majorana?Cioè sono identiche alle loro antiparticelle, o non lo sono? Nel caso lo fossero, dovrebbe esistere il decadimento doppio beta senza neutrini: un processo proibito secondo il Modello Standard delle particelle elementari (ove le particelle fondamentali sono distinte dalle loro antiparticelle), mai osservato sperimentalmente, ma previsto invece da molte altre teorie, per esempio da quelle che cercano di spiegare l’assenza di antimateria nel nostro universo. Inoltre, se i neutrini fossero le particelle ipotizzate da Ettore Majorana 80 anni fa, sarebbero l’unica particella elementare, finora nota, in grado di acquisire massa senza bisogno del bosone di Higgs.

Se l’importanza della ricerca di questo decadimento è chiara, enormi sono invece le difficoltà per poterlo rivelare. Infatti moltissimi processi in natura (principalmente decadimenti) possono simulare il segnale ricercato, rendendone difficile la rivelazione.  

L’esperimento GERDA è riuscito a ridurre gli eventi indesiderati (eventi di fondo) a tal punto che, per l’intera durata della presa dati, circa 3 anni, non dovrebbe registrare alcuno di questi eventi nell’intervallo di ricerca fissato dalla risoluzione energetica dei rivelatori.  Dall’analisi dei dati raccolti nei primi 5 mesi, GERDA non ha osservato alcun evento candidato per il decadimento doppio beta senza neutrini ponendo un limite inferiore al suo tempo di dimezzamento (cioè il tempo che deve trascorrere affinché la metà dei nuclei decada) pari a 5x1025 anni.

GERDA si trova nei Laboratori del Gran Sasso, dove la montagna sovrastante scherma l’esperimento dai raggi cosmici, che creerebbero segnali di disturbo. Il cuore dell’esperimento è un insieme di rivelatori a germanio arricchito all’ 86% nel suo isotopo 76 (un isotopo è un atomo di uno stesso elemento chimico, avente pertanto il medesimo numero di protoni nel nucleo, ma differente numero di neutroni). I rivelatori funzionano entro un criostato contenente 63 m3 di argon liquido a una temperatura di -190 gradi Celsius. Il criostato è a sua volta immerso in un contenitore riempito con 590 m3 di acqua ultrapura. L’argon, l’acqua e il materiale vicino ai rivelatori sono privi di contaminazioni radioattive provenienti dall’uranio e dal torio (assai diffusi tutto intorno a noi). Un’analisi attenta della forma dei segnali proveniente dai rivelatori permette inoltre di identificare gli eventi di fondo con elevata probabilità e quindi di eliminarli.

GERDA è una collaborazione comprendente più di 100 scienziati provenienti da Germania, Italia, Russia, Svizzera, Polonia e Belgio. L'Italia, attraverso l'INFN, ha dato un contributo fondamentale al successo di GERDA. Innanzitutto, ospitando l'esperimento nei LNGS, che costituiscono un unicum a livello mondiale per vastità delle sale sperimentali, facilità d’accesso e infrastrutture scientifiche d’avanguardia.

I fisici del dipartimento di Fisica e Astronomia e della sezione INFN di Padova hanno progettato e realizzato il sistema di controllo generale del rivelatore, contribuito alla caratterizzazione dei rivelatori a germanio, sviluppato la descrizione degli eventi che costituiscono i segnali di fondo.

GERDA continuerà a raccogliere dati fino a metà del 2019, in condizioni prive di fondo, con una sensibilità finale sul tempo di dimezzamento superiore ai 1026 anni.

Riccardo Brugnera