CUPID-0 svela la dinamica del doppio decadimento beta ai Laboratori del Gran Sasso

Posted by Antonio Giampaoli | 2020-01-09 | Commenti: 3 | Letto 987942 volte

L’esperimento CUPID-0, in presa dati ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, ha realizzato la misura più precisa al mondo del doppio decadimento beta con emissione di due neutrini.

Si tratta di un processo nucleare molto raro, osservato per differenti isotopi da diversi esperimenti; tra tutti, CUPID-0, studiando il decadimento del Se-82, non solo ha ottenuto un incredibile livello di accuratezza, ma è riuscito anche a svelare importanti informazioni per comprendere la dinamica di questo processo nucleare. L’esito di questo lavoro è stato pubblicato lo scorso 27 Dicembre su Physical Review Letters (Link).

Il doppio decadimento beta con due neutrini viene descritto dalle teorie nucleari come due decadimenti beta in cascata. Il primo decadimento connette lo stato fondamentale del nucleo iniziale (A,Z) con il nucleo intermedio (A,Z+1), mentre il secondo parte da quest’ultimo e lo connette allo stato fondamentale del nucleo finale (A,Z+2). Sapere quali stati del nucleo intermedio (A,Z+1) governano la transizione consente di trattare questo decadimento nel modo corretto.

Il prof. Francesco Iachello, ideatore dell’Interacting Boson Model (IBM), sottolinea l’impatto di questa misura: “Che il doppio decadimento beta con due neutrini del Se-82 sia dominato da un singolo stato intermedio è un risultato molto importante per comprendere la teoria microscopica di questa transizione. Fino a questo punto pensavamo che solo Zr-96, Mo-100 e Cd-116 fossero dominati da un singolo stato intermedio, mentre Ge-76 e Se-82 no. Questo risultato cambia il nostro modo di pensare e deve essere compreso.”

“L’utilizzo della tecnica bolometrica ed il controllo dettagliato del fondo radioattivo hanno consentito ad un rivelatore di piccole dimensioni come CUPID-0 di superare in accuratezza i giganti del settore, mostrando le potenzialità di questa tecnica, sviluppata fin dai primi passi all’interno dell’INFN:questo risultato rappresenta una pietra miliare verso la realizzazione del futuro esperimento CUPID.” commenta il dr. Stefano Pirro (LNGS), responsabile dell’esperimento.

Attualmente i calorimetri criogenici hanno consentito di ottenere le migliori misure del doppio decadimento beta con due neutrini ed i migliori limiti per il processo a zero neutrini di tre isotopi, Te-130 (CUORE), Mo-100 (CUPID-Mo) e Se-82 (CUPID-0), dimostrando di avere tutti i requisiti per un esperimento di nuova generazione.

SCHEMA DI DECADIMENTO

La tecnica sperimentale

L’esperimento CUPID-0 consiste in una schiera di 26 cristalli di seleniuro di zinco (ZnSe), 24 dei quali sono arricchiti al 95% in Se-82, l'isotopo che decade doppio beta.

Il singolo rivelatore di CUPID-0 funziona come calorimetro criogenico.

Un calorimetro criogenico è -solitamente- costituito da un cristallo accoppiato con un termometro molto sensibile: quando un cristallo è raffreddato, portando la sua temperatura a 0.01 gradi Kelvin assoluti, estremamente vicino allo zero assoluto (-273.14 gradi Celsius), un minimo ed impercettibile rilascio di energia in esso produce un innalzamento della sua temperatura. L’innalzamento di temperatura risulta proporzionale alla l’energia rilasciata, che viene così misurata con estrema accuratezza.

In alcuni cristalli, il rilascio di energia può determinare anche una minima produzione di luce che, “uscendo” dal cristallo può essere misurata, fornendo una informazione supplementare dalla quale si può evincere la natura della particella che ha interagito nel cristallo. Questa possibilità rappresenta uno strumento fondamentale per abbattere il fondo radioattivo naturale (proveniente da tutti i materiali che ci circondano) che “mima” il segnale aspettato. Considerando che a temperature così estreme i rivelatori di luce “standard” non funzionano, sono stati sviluppati dei rivelatori di luce ad hoc. Si tratta di calorimetri "opachi" molto sensibili: quando la luce (quantificabile in qualche centinaio di fotoni) viene emessa dal cristallo di ZnSe, viene assorbita dal bolometro “opaco”. Questa minima quantità di luce è comunque sufficiente a scaldare il calorimetro-rivelatore di luce e la misura dell’innalzamento di temperatura restituisce direttamente il numero di fotoni che sono stati emessi dal cristallo di ZnSe. Questa tecnica, sviluppata in Italia nell’ambito del progetto LUCIFER a partire dal 2006, è stata proposta per la costruzione di un esperimento futuro di nuova generazione, CUPID, di cui CUPID-0 rappresenta il primo dimostratore.

I risultati

Oltre a questo risultato sul decadimento a due neutrini, CUPID-0 ha riportato il miglior limite sulla vita media del decadimento doppio beta senza neutrini del Se-82, T_1/2>3.5 10²⁴ y (90% C.I.) (Link), studiando questo stesso decadimento anche sugli stati eccitati (Link).

Inoltre, la ricostruzione dettagliata dello spettro misurato da CUPID-0 ha consentito di individuare i contributi al fondo nella regione di interesse (Link) e di effettuare la prima ricerca di violazione di CPT con calorimetri criogenici (Link).

Stato e prospettive

La prima fase di CUPID-0 si è conclusa a Dicembre 2018, accumulando un'esposizione di circa 10 kg⋅y di ZnSe. Al fine di comprendere alcuni dettagli della ricostruzione del fondo, sono state effettuate delle modifiche al setup sperimentale, rimuovendo il foglietto riflettente che avvolgeva ciascun cristallo e aggiungendo un ulteriore schermo termico a 10 mK. Da Maggio 2019 CUPID-0 è in presa dati nella sua nuova configurazione.