INFN: GERDA stabilisce nuovi limiti su un decadimento estremamente raro

I neutrini sono le particelle più elusive che conosciamo, la loro interazione con la materia è infatti estremamente rara.  Hanno proprietà piuttosto insolite e alcuni modelli teorici prevedono che possano essere identiche alle loro antiparticelle. Finora questa proprietà, ipotizzata dal fisico italiano Ettore Majorana, non è stata tuttavia verificata sperimentalmente.

Ora gli scienziati della collaborazione GERDA (GERmanium Detector Array), ai i Laboratori INFN del Gran Sasso, hanno ottenuto un nuovo importante limite per il cosiddetto decadimento doppio beta senza neutrini nell’isotopo 76 del Germanio (⁷⁶Ge). Se questo decadimento venisse rivelato, ciò implicherebbe che neutrino e antineutrino sono la stessa particella.

Gli scienziati di GERDA non hanno rivelato questo tipo di decadimento dopo aver controllato per più di un anno 18 kg di ⁷⁶Ge. Questo fatto si traduce nel poter porre un limite pari a 2.1×10²⁵ anni in quello che viene chiamato tecnicamente il tempo di dimezzamento del decadimento. Entro tempi inferiori a tale limite è improbabile che
il fenomeno avvenga. Tale limite corrisponde ad un intervallo di tempo un milione di miliardi di volte circa l’età dell’Universo.

Combinato con le informazioni di altri esperimenti, questo limite smentisce un precedente risultato di un altro esperimento che quasi 10 anni fa aveva annunciato la rivelazione del doppio decadimento beta senza neutrini.

L’Italia attraverso l’INFN ha dato all’esperimento GERDA un contributo fondamentale per il suo successo, per la sua costruzione, presa dati e successiva analisi, innanzitutto ospitando l’esperimento nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, che offre agli esperimenti numerose facilities tecnologiche e sperimentali.

Nei decadimenti beta “tradizionali”, un neutrone all’interno di un nucleo decade in un protone emettendo un elettrone e un antineutrino. Per alcuni nuclei, come il ⁷⁶Ge, il normale decadimento beta è energeticamente proibito, ma è possibile, invece, la conversione simultanea di due neutroni in due protoni con l’emissione di due elettroni e due antineutrini. Questo tipo di decadimento è stato recentemente misurato in GERDA con una precisione senza precedenti, con un tempo di dimezzamento di 2×10²¹ anni, circa 100 miliardi di volte l’età dell’Universo.

Se i neutrini fossero particelle di Majorana, il decadimento doppio beta senza neutrini dovrebbe verificarsi con una frequenza ancora più bassa. In questo caso, l’antineutrino da un primo decadimento beta verrebbe assorbito come neutrino dal neutrone del secondo decadimento beta, evento possibile solo se neutrino e antineutrino sono la stessa particella.

Cercare un ago in un pagliaio è semplicissimo se paragonato alla difficoltà di rivelare un doppio decadimento beta: la radioattività naturale crea un “rumore” di fondo almeno un miliardo di volte più grande del segnale che si cerca. Per questo motivo i cristalli che compongono il rivelatore e le parti più esterne dell’apparato sono state progettate e realizzate con molta cura. L’osservazione di un processo così raro richiede inoltre tecniche molto delicate per eliminare il “rumore” delle particelle dei raggi cosmici, della  radiazione ambientale che  ci circonda e dell’esperimento stesso. Gli scienziati hanno raccolto questa sfida decidendo di costruire un apparato dove i  cristalli di GERDA sono sospesi in un serbatoio (criostato) alto sei metri e largo quattro, riempito con argon liquido (a –186° di temperatura) estremamente puro, rivestito da rame purissimo, il tutto contenuto in una tank dal diametro di 10 m riempita con acqua ultrapura situata sotto uno strato di 1400 m di roccia. I cristalli di germanio utilizzati in GERDA formano contemporaneamente la sorgente e il rivelatore.

La presenza dell’isotopo ⁷⁶Ge nel germanio naturale è di circa l’8%, non sufficiente per poter effettuare la  misura. E’ stato quindi necessario arricchire più di 10 volte questa percentuale prima di far crescere gli speciali cristalli di rivelazione.

Combinando tutte queste tecniche innovative e pioneristiche è stato possibile ridurre il rumore di fondo a livelli senza precedenti.

La presa dati è iniziata nell’autunno del 2011 utilizzando 8 rivelatori, ciascuno del peso di circa 2 kg e di dimensioni simili a quella di una lattina. Successivamente sono stati aggiunti 5 ulteriori rivelatori.

Il nuovo risultato di GERDA produce interessanti conseguenze sulla conoscenza delle masse dei neutrini, estensioni del modello standard delle particelle elementari, processi astrofisici (esplosioni di supernova) e cosmologia (evoluzione dell’Universo, asimmetria materia/antimateria, formazione degli ammassi di galassie).

Il prossimo passo di GERDA consisterà nell’aggiungere nuovi rivelatori già prodotti in modo da raddoppiare la quantità di ⁷⁶Ge. L’acquisizione dati continuerà in una seconda fase dopo che alcuni ulteriori miglioramenti saranno implementati per ridurre ancora di più il rumore di fondo rispetto al segnale cercato. 

GERDA è una collaborazione europea con scienziati provenienti da 19 istituti di ricerca e Università attivi in Germania, Italia, Russia, Svizzera, Polonia, e Belgio. 

Val la pena ricordare che a tutt’oggi questi Laboratori costituiscono un unicum a livello mondiale per vastità delle sale sperimentali, per la facilità di accesso e per le infrastrutture d’avanguardia.

I fisici italiani (provenienti dalle sezioni INFN di LNGS, Milano, Milano Bicocca e dalle Università di Milano, Milano Bicocca e Padova) hanno progettato e realizzato il primo schermo di acqua (un serbatoio da 650 m³) e gli impianti ausiliari associati, la delicata elettronica dei rivelatori con associate linee di trasmissione del segnale, contribuito all’acquisto e ai successivi test dei nuovi rivelatori di Germanio arricchiti in ⁷⁶Ge, realizzato il sistema di controllo generale delle sotto componenti.

Il software di analisi dei dati è stata in gran parte creato e gestito dalla componente italiana.

Importante è stato anche il coinvolgimento dell’industria italiana: Di Zio (PE) costruzioni ha realizzato il serbatoio dell’acqua, SIMIC (CN) il criostato, CAEN (LU) ha fornito gli alimentatori di  alta tensione per i diodi a Germanio, SAMI (MI) i cavi per l’alta tensione e per il segnale.