Primi risultati dall’esperimento CUORE

Questa settimana un team di fisici internazionali compresi ricercatori del MIT rende noti i primi risultati di un esperimento sotterraneo messo a punto per rispondere a une delle domande più importanti della fisica:

perché il nostro universo è fatto prevalentemente di materia?

Secondo la teoria del Big Bang si sarebbero dovute produrre pari quantità di materia e antimateria.

Quest’ultima consistente di “antiparticelle” che sono essenzialmente immagini speculari della materia, solo che portano cariche opposte a quelle dei protoni, elettroni, neutroni ed altre particelle… (come controparti)

Tuttavia viviamo in un universo decisamente materiale fatto prevalentemente di galassie, stelle, pianeti e di tutto ciò che vediamo intorno a noi, e davvero poca antimateria.

I fisici suppongono che qualche processo deve aver fatto pendere la bilancia in favore della “materia” durante i primi istanti seguiti al Big Bang. Un tale processo teorico coinvolge il neutrino, il quale nonostante non abbia massa ed interagisca molto poco con l’altra materia, si pensa che permei l’universo con miliardi di miliardi di particelle “spettrali” che scorrono senza danno attraverso i nostri corpi ogni secondo. C’è una possibilità che il neutrino possa essere l’antiparticella di se stesso, cioè che possa avere la capacità di passare dalla versione “materiale” a quella “antimateriale” di se stesso.

Se questo è il caso i fisici credono che questo potrebbe spiegare lo sbilanciamento dell’universo visto che i neutrini più pesanti prodotti immediatamente dopo il Big Bang. sarebbero decaduti asimmetricamente, producendo più versioni “materiali” che “antimateriali” di se stessi.

Un modo per confermare che il neutrino è l’antiparticella di se stesso è quello di svelare un processo estremamente raro conosciuto come (doppio decadimento beta senza neutrini) nel quale un isotopo stabile per es. di Tellurio o Xenon emette delle particelle (certe particelle) compresi elettroni ed antineutrini in forza di un decadimento naturale.

Se veramente il neutrino è l’antiparticella di se stesso allora secondo le regole della fisica gli antineutrini dovrebbero annichilirsi, e questo processo di decadimento dovrebbe essere “aneutrinico”.

Ogni e qualunque misurazione del processo dovrebbe solo riuscire a rilevare gli elettroni in uscita dall’isotopo.

L’esperimento conosciuto col nome CUORE, per l’osservatorio criogenico sotterraneo per rari eventi è progettato per rilevare un doppio decadimento beta senza neutrini di 988 cristalli di TeO2. In un articolo pubblicato questa settimana sulla Physical Review Letters, i ricercatori, inclusi i fisici del MIT, rendono noti i primi due mesi di dati raccolti da CUORE.

Mentre non sono ancora riusciti a scoprire il vero processo, sono stati in grado di stabilire i limiti temporali finora meglio definiti dal tempo necessario al verificarsi di tale processo. Sulla base dei loro risultati, essi stimano che un singolo atomo di tellurio subirebbe un doppio decadimento beta senza neutrini  al massimo una volta ogni settilione (1 seguito da 25 zeri)  di anni.

Prendendo in considerazione l’enorme numero di atomi presenti 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 che subiscono tale processo, ammesso che esista.

“È un processo molto raro, se osservato, sarebbe uno dei più lenti che siano mai stati misurati”.

Afferma Lindley Winslow, appartenente al gruppo di lavoro CUORE, e uno dei membri del laboratorio per le scienze nucleari e Jerrold R. Zacharias assistente allo sviluppo carriere professore di fisica del MIT che ha guidato lo studio.

“La cosa più eccitante in questo caso è che siamo stati in grado di far agire insieme 988 cristalli, e adesso siamo ben indirizzati a provare di vedere qualcosa”

La collaborazione CUORE coinvolge circa 150 scienziati provenienti in massima parte dall’Italia e dagli USA compresi Winslow ed una piccola squadra di post-dottorati e studenti neolaureati del MIT.

Il cubo più  freddo dell’universo

L’esperimento CUORE si tiene nei laboratori nazionali del Gran Sasso dell’istituto nazionale italiano di fisica nucleare (INFN), sepolto nelle viscere di una montagna al fine di schermarlo da interferenze esterne, quali radiazioni cosmiche.

Il cuore dell’esperimento consiste in un rilevatore composto da 19 torri ognuna delle quali contiene 52  cristalli di biossido di tellurio di forma cubica per un totale di 988 con una massa di circa 742Kg.

Gli scienziati valutano che questi cristalli contengono circa 100 settilioni di atomi del particolare isotopo di tellurio. Sensori elettronici e di temperatura sono collegati a ciascun cristallo al fine di monitorare i segnali del loro decadimento.

L’insieme del rivelatore è collocato all’interno di un refrigeratore estremo, delle dimensioni di un distributore automatico alla temperatura di 6milliKelvin  pari a -273.1°C.

L’esperimento richiede temperature estremamente fredde al fine di rilevare piccole variazioni di temperatura generate dal decadimento di un singolo atomo di tellurio. In un normale processo di doppio decadimento beta senza neutrini un atomo di tellurio emette due elettroni e due antineutrini che equivalgono ad una certa energia sotto forma di calore. Se accadesse un doppio decadimento beta senza neutrini i due antineutrini si cancellerebbero a vicenda e sarebbe prodotta solo l’energia rilasciata dei due elettroni. I fisici hanno calcolato che tale energia deve essere di circa 2.5 MeV.

Nei primi due mesi di attività di CUORE gli scienziati hanno essenzialmente rilevato la temperatura dei 988 cristalli di tellurio in attesa di un minuscolo picco di energia di circa 2.5 MeV.

“CUORE è come un gigantesco termometro” afferma Winslow “nel caso si veda un deposito di calore su di un cristallo si rileva un impulso che può essere digitalizzato. Dopodiché si valuta l’ampiezza e l’altezza di tale impulso poiché esso è legato alla quantità di energia che è stata messa in gioco. Inoltre si valutano quanti di questi eventi possedevano un’energia di circa 2.5 MeV e sostanzialmente non siamo riusciti ad osservare nulla. Ciò probabilmente è un bene perché non ci aspettavamo di vedere qualcosa nei primi due mesi di rilevazioni.”

 Il CUORE va avanti

I risultati indicano più o meno che, nella piccola finestra nella quale CUORE sin ora ha operato nemmeno uno uno dei 1000 settilioni di atomi di tellurio ha dato luogo ad un doppio decadimento beta senza neutrini. Statisticamente parlando, ciò implica che ci vorrebbero almeno dieci settilioni di anni affinché un singolo atomo vada incontro ad un processo del genere se un neutrino è effettivamente l’antiparticella di se stesso.

“Per il biossido di tellurio questo è il miglior limite per il tempo di durata di questo processo che siamo stati in grado di calcolare”

CUORE continuerà a monitorare i cristalli per i prossimi 5 anni ed i ricercatori stanno adesso progettando la prossima generazione dell’esperimento che hanno soprannominato CUPID un rilevatore che sarà utilizzato per esaminare un numero di atomi maggiore. “Al di là di CUPID c’è soltanto una possibile iterazione da ipotizzare prima che gli scienziati possano giungere ad una conclusione definitiva.

“Se non si vedrà il fenomeno nei prossimi 10/15 anni allora, a meno che la natura abbia scelto un comportamento veramente astruso, il neutrino non dovrebbe essere la propria antiparticella”

“La fisica delle particelle afferma che non c’è ulteriore “spazio” per il neutrino per dimostrare di essere la propria antiparticella e per noi non averlo rilevato. Non ci sono abbastanza posti per nascondersi”

Questa ricerca è sostenuta dall’INFN dalla fondazione nazionale per la scienza, dalla fondazione Alfred P.Sloan e dal dipartimento dell’energia statunitense.

 

Tratto da: http://news.mit.edu/2018/scientists-report-first-results-neutrino-mountain-experiment-matter-antimatter-0326?utm_source=&utm_medium=&utm_campaign=

Author: Chimicamo

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