Cupid

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Introduzione
Nel campo delle interazioni fondamentali la fisica del neutrino è diventata via via sempre più importante negli ultimi anni, soprattuto grazie alla scoperta della loro massa. In particolare comprendere se i neutrini sono  particelle “alla Dirac” o “alla Majorana” è un passo cruciale verso la piena comprensione delle leggi che regolano il funzionamento dell’Universo. L’unico modo per scoprire questa peculiare proprietà è quello di cercare il cosiddetto Doppio Decadimento Beta senza emissioni di neutrini. L’idea di CUPID è quella di combinare la tecnica bolometrica utilizzata per l’esperimento CUORE, con la rivelazione simultanea della luce emessa dal rivelatore. I rivelatori bolometrici consentono di ottenere un’ottima risoluzione energetica (chiave di volta per questo tipo di ricerca) mentre la misura -contemporanea- della luce emessa fornisce uno strumento importantissimo per l’abbattimento del fondo indotto dalla radioattività naturale. Il goal scientifico di CUPID non è solo quello di cercare il doppio decadimento doppio beta, ma di porre le basi per un -grande- esperimento di terza generazione che sfrutti appieno le potenzialità innovative di questa nuova tecnica.

 

Descrizione

Il progetto CUPID (CUORE Upgrade with Particle IDentification) nasce con lo scopo di realizzare un esperimento bolometrico, in grado di operare in condizioni di fondo zero, utilizzando l’infrastruttura di CUORE. L’obiettivo scientifico è di esplorare la gerarchia inversa di massa dei neutrini, alla ricerca della violazione del numero leptonico e del neutrino di Majorana. L’ esperienza e le competenze acquisite nei molti anni di ricerca e sviluppo saranno messe a frutto per testare la maturità della tecnologia bolometrica per un esperimento di prossima generazione. La prima fase di CUPID prevede la costruzione di CUPID-0, il primo esperimento per la ricerca del doppio decadimento beta, realizzato con bolometri scintillanti, in grado di raggiungere una sensibilità comparabile a quella degli attuali esperimenti. CUPID-0 utilizza i cristalli arricchiti di Zn82Se sviluppati nell’ambito del progetto LUCIFER. Il singolo rivelatore di CUPID-0 funzionerà come bolometro. Un bolometro 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. Misurando questa variazione di temperatura si può ricostruire l’energia rilasciata. 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 naturale radioattivo che “mima” il segnale aspettato. Considerando che a temperature così estreme i rivelatori “standard” non funzionano, sono stati sviluppati dei rivelatori di luce ad hoc. Si tratta di bolometri "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 bolometro-rivelatore di luce e la misura dell’innalzamento di temperatura restituisce direttamente il numero di fotoni che sono stati emessi. 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 terza generazione.
L’esperimento CUPID-0 consiste in una schiera di singoli rivelatori disposti in torri (Fig.1). Il modulo singolo è costituito da un cristallo arricchito di Zn82Se. Il rivelatore di luce è un disco di germanio di 45 mm di diametro e 0.1 mm di spessore.
La produzione di cristalli arricchiti di ZnSe è terminata a Febbraio 2016, mentre l’assemblaggio dei rivelatori è stato completato nel mese di Ottobre 2016. I rivelatori sono poi stati installati nel criostato a diluizione che ha ospitato l'esperimento CUORE-0 e raffreddati alla temperatura di 0.01 K. La presa dati è programmata per inizio 2017.
Nell’ambito di CUPID vengono testati anche altri cristalli arricchiti, come il 130TeO2 ed il Li2100MoO4, con l’idea di realizzare un secondo dimostratore nel 2017. Mentre per il Li2100MoO4, cristallo scintillante, si può utilizzare la stessa tecnica di CUPID-0, per il 130TeO2, cristallo non scintillante, si deve sfruttare la luce Cherenkov emessa dalle particelle β/γ (quindi anche dal doppio beta) per la riduzione del fondo radioattivo. Tuttavia la luce Cherenkov emessa dal doppio decadimento beta è molto debole e richiede lo sviluppo di nuovi lettori di luce criogenici molto sensibili per essere rivelata.
 
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Figura 1: a) Vista laterale del singolo modulo: ogni cristallo di ZnSe è posto fra due lettori di luce, non visibili nello schema poiché molto sottili; i singoli cristalli sono ancorati alla struttura in rame utilizzando martelletti in PTFE. b) Vista dall’alto. c) Vista 3D del rivelatore CUPID-0. d) Vista del detector CUPID-0 all’interno del criostato.

 
 
Responsabile del progetto
Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.(INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso)

 

Collaborazione
D. R. Artusa1,2, A. Balzoni3,4, J. W. Beeman5, F. Bellini3,4, M. Biassoni6, C. Brofferio6,7, A. Camacho8, S. Capelli6,7, L. Cardani4, P. Carniti6,7, N. Casali3,4, L. Cassina6,7, M. Clemenza6,7, O. Cremonesi7, A. Cruciani3,4, A. D'Addabbo1, I. Dafinei4, S. Di Domizio9,10, M. L. Di Vacri1, F. Ferroni3,4, L. Gironi6,7, A. Giuliani11, C. Gotti6,7, G. Keppel8, M. Maino6,7, M. Mancuso11,12,13, M. Martinez3,4, S. Morganti3, S. Nagorny15,1, M. Nastasi6,7, S. Nisi1, C. Nones12, F. Orio4, D. Orlandi1, L. Pagnanini14,1, M. Pallavicini9,10, V. Palmieri8, L. Pattavina1, M. Pavan6,7, G. Pessina7, V. Pettinacci3,4, S. Pirro1, S. Pozzi6,7, E. Previtali7, A. Puiu6,7, C. Rusconi2, K. Schäffner14,1, C. Tomei3, M. Vignati3, A. Zolotarova12.
 
1INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, Italy
2Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, USA
3Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Italy
4INFN, Sezione di Roma, Italy
5Material Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA
6Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, Milano, Italy
7INFN, Sezione di Milano Bicocca, Milano, Italy
8INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova), Italy
9Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Italy
10INFN, Sezione di Genova, Genova, Italy
11Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse, Orsay, France
12CEA, Irfu, SPP Centre de Saclay, Gif-sur-Yvette, France
13Max Planck Institute fuer Physik, Munich, Germany
14Gran Sasso Science Institute, L’Aquila, Italy

 

Pubblicazioni recenti

 

Enriched TeO2 bolometers with active particle discrimination: towards the CUPID experiment
D.R. Artusa, F.T. Avignone, III, J.W. Beeman, I. Dafinei, L. Dumoulin, Z. Ge, A. Giuliani, C. Gotti, P. de Marcillac, S. Marnieros, S. Nagorny, S. Nisi, C. Nones, E.B. Norman, V. Novati, E. Olivieri, D. Orlandi, L. Pagnanini, L. Pattavina, G. Pessina, S. Pirro, D.V. Poda, C. Rusconi, K. Schäffner, N.D. Scielzo, Y. Zhu
Phys.Lett. B767 (2017) 321-329
http://dx.doi.org/10.1016/j.physletb.2017.02.011

First array of enriched Zn82Se bolometers to search for double beta decay
D. R. Artusa, A. Balzoni, J. W. Beeman, F. Bellini, M. Biassoni, C. Brofferio, A. Camacho, S. Capelli, L. Cardani, P. Carniti, N. Casali, L. Cassina, M. Clemenza, O. Cremonesi, A. Cruciani, A. D’Addabbo, I. Dafinei, S. Di Domizio, M. L. di Vacri, F. Ferroni, L. Gironi, A. Giuliani, C. Gotti, G. Keppel, M. Maino, M. Mancuso, M. Martinez, S. Morgante, S. Nagorny, M. Nastasi, S. Nisi, C. Nones, F. Orio, D. Orlandi, L. Pagnanini, M. Pallavicini, V. Palmieri, L. Pattavina, M. Pavan, G. Pessina, V. Pettinacci, S. Pirro, S. Pozzi, E. Previtali, A. Puiu, C. Rusconi, K. Schäffner, C. Tomei, M. Vingari, A. Zolotarova
Eur. Phys. J. C76 (2016) no.7, 364
http://dx.doi.org/10.1140/epjc/s10052-016-4223-5

Double-beta decay investigation with highly pure enriched Se for the LUCIFER experiment
J. W. Beeman, F. Bellini, P. Benetti, L. Cardani, N. Casali, D. Chiesa, M. Clemenza, I. Dafinei, S. Di Domizio, F. Ferroni, L. Gironi, A. Giuliani, C. Gotti, M. Laubenstein, M. Maino, S. Nagorny, S. Nisi, C. Nones, F. Orio, L. Pagnanini, L. Pattavina, G. Pessina, G. Piperno, S. Pirro, E. Previtali, C. Rusconi, K. Schffner, C. Tomei, M. Vignati
Eur.Phys.J. C75 (2015) no.12, 591
http://dx.doi.org/10.1140/epjc/s10052-015-3822-x

Current Status and Future Perspectives of the LUCIFER Experiment
J. W. Beeman, F. Bellini, P. Benetti, L. Cardani, N. Casali, D. Chiesa, M. Clemenza, I. Dafinei, S. Di Domizio, F. Ferroni, A. Giachero, L. Gironi, A. Giuliani, C. Gotti, M. Maino, S. Nagorny, S. Nisi, C. Nones, F. Orio, L. Pattavina, G. Pessina, G. Piperno, S. Pirro, E. Previtali, C. Rusconi, M. Tenconi, C. Tomei, and M. Vignati
Advances in High Energy Physics Volume 2013
http://dx.doi.org/10.1155/2013/237973

CUPID: CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) Upgrade with Particle Identification
CUPID Collaboration  
e-Print: arXiv:1504.03599

R&D towards CUPID (CUORE Upgrade with Particle Identification)
CUPID Collaboration  
e-Print: arXiv:1504.03612