Il progetto CUPID è l’upgrade dell’esperimento CUORE, anch’esso volto alla ricerca del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini (0νββ) n questo caso verrano utilizzati cristalli scintillanti in Li2MoO4 arricchiti con l’isotopo di interesse, il 100Mo. I cristalli verranno operati come rivelatori criogenici nella condizione di fondo nullo per tutta la durata dell’esperimento. Questo rappresenta il metodo più efficace per aumentare la sensitività durante la presa dati. La condizione di fondo nullo sarà raggiunta grazie alla discriminazione delle diverse particelle interagenti nel canale della scintillazione.
Obiettivi di fisica
L’esistenza dei neutrini è stata postulata circa 100 anni fa e più di 60 anni ormai sono passati dalla loro prima osservazione. Durante gli scorsi decenni, neutrini di diversa origine sono stati misurati, inclusi quelli solari, atmosferici, prodotti dai reattori nucleari o dalle esplosioni di lontane stelle, le supernove. Le osservazioni hanno permesso di raccogliere una grande quantità di informazioni riguardanti le sorgenti di neutrini e hanno contribuito alla costruzione del Modello Standard della fisica delle particelle. Ciononostante, evidenze sperimentali provenienti da misure di oscillazione di neutrini hanno inequivocabilmente dimostrato che essi hanno massa non nulla, indicando l’esistenza di nuova fisica oltre il Modello Standard. Allo stesso tempo, altre molteplici domande aperte tormentano la comunità scientifica da decenni:
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Quali sono le simmetrie fondamentali del Modello Standard e quali solo le relative quantità conservate?
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Qual è l’origine dell’asimmetria tra la quantità di materia e quella di anti-materia nell’Universo?
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Perchè la scala di massa dei neutrini è molto più piccola di quella degli altri leptoni?
L’osservazione del decadimento 0νββ potrebbe fornire una risposta possibile a tutti questi quesiti.
Il decadimento 0νββ è un processo in cui un nucleo padre (A,Z) decade in un nucleo figlio (A,Z+2) emettendo simultaneamente due elettroni, senza controbilanciare tramite l’emissione di antiparticelle. Sin dall’introduzione della teoria di Fermi del decadimento β, questo sarebbe il primo esempio di processo che non conserva la differenza tra il numero di particelle e quello di antiparticelle. Nel Modello Standard, il 0νββ è un processo che violerebbe il numero leptonico L e la differenza tra il numero barionico B e quello leptonico, ovvero B-L. Quindi, l’osservazione del 0νββ dimostrerebbe che B-L non è una simmetria esatta e che il Modello Standard è solo l’approssimazione di una teoria più ampia. Infine, un’evidenza del 0νββ proverebbe l’esistenza di processi che creano materia (che non conservano la simmetria materia-antimateria). Il 0νββ è possibile solamente se i neutrini hanno una componente di massa di Majorana: in questo modello le masse dei tre neutrini left-handed leggeri sarebbero generate da qualche partner pesante e right-handed tramite il cosiddetto meccanismo di see-saw. Quest’ultimo spiegherebbe in modo naturale la piccola scala di massa dei neutrini rispetto a quello generata dal più tipico meccanismo di Higgs che riguarda tutte le altre particelle conosciute.
La segnatura del decadimento 0νββ
Il 0νββ è un decadimento a 3 corpi, dunque l'nergia disponibile viene condivisa tra il nucleo figlio e i due elettroni emessi. Il nucleo figlio è caratterizzato da un rinculo trascurabile dal momento che ha una massa molto maggiore degli elettroni. Inoltre, nella maggior parte dei rivelatori, i due elettroni emessi non sono distinguibili quindi solo la somma delle loro energie può essere misurata. Perciò, la segnatura attesa per il decadimento 0νββ è un eccesso di eventi all'energia del cosiddetto Q-valore, ovvero la differenza di massa tra i nuclei padre figlio.
D’altro canto, il decadimento doppio beta con emissione di due 2νββ è un processo a 5 corpi, caratterizzato anch'esso da rinculi trascurabili. In questo caso i due anti-neutrini emessi sfuggono alla rivelazione e solo una parte dell’ energia disponibile è condivisa dagli elettroni. Pertanto, la segnatura del 2νββ è uno spettro continuo da 0 fino all’energia del Q-valore.
Schemi dei decadimenti 2νββ (sopra) e 0νββ (sotto). I due processi hanno in comune i nuclei padre e figlio ma differiscono per il numero di particelle emesse e, quindi, dell’energia data agli elettroni. | Lo spettro di energia degli elettroni misurato è un continuo per il 2νββ mentre si presenta come un picco (o un eccesso) al Q-valore per il decadimento 0νββ. |
L'Esperimento
I primi tentativi sperimentali di osservare il decadimento 0νββ risalgono agli anni ’40 del Novecento. Negli anni, molteplici tecnologie sono state sviluppate per cercare questo processo in una grande varietà di isotopi. CUORE, uno degli esperimenti più sensibili in questo campo, è situato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN in Abruzzo. CUORE si compone di 988 cristalli di TeO2 operati come rivelatori criogenici ad una temperatura di 10-15 mK. I cristalli fungono da rivelatore e sorgente del decadimento 0νββ allo stesso tempo. Essi, infatti, contengono il 130Te, un isotopo adatto al decadimento ββ e che contribuisce al 27% della massa dei cristalli stessi. I rivelatori di CUORE inseriti nel più grande criostato a diluizione mai realizzato, capace di raffreddare ~1.5 tons di materiale fino a temperature del mK in circa un mese per poi operare in modo stabile per anni.
Il Parco Nazionale del Gran Sasso, sotto cui sono situati i laboratori sotterranei dei LNGS. | I rivelatori di CUORE, subito dopo la loro installazione nel criostato. |
CUPID sfrutterà la già presente struttura criogenica di CUORE, sostituendo gli attuali cristalli di TeO2 con ~1500 cristalli di Li2 MoO4. CUPID quindi, non solo sostituirà i cristalli stessi, ma anche l’isotopo candidato al decadimento ββ, ovvero il 100Mo. Questa particolare scelta ha una duplice ragione: da un lato il Li2MoO4 è un materiale scintillante la cui resa in luce dipende dalla particella interagente; dall’altro lato il 100Mo ha un Q-valore di 3034 keV (rispetto ai 2527 keV del 130Te), che cade in una regione energetica quasi priva del fondo γ ambientale.
Particolare attenzione e cura sono richieste per la minimizzazione della radioattività di tutti i materiali utilizzati.
L’esperimento CUPID, sfruttando le informazioni dei suoi predecessori CUORE, CUPID-0 e CUPID-Mo, ha un fondo previsto di 10-4 counts/keV/kg/yr nella regione di interesse, ovvero al Q-valore del ββ. CUPID-Mo è stato un esperimento sito nel laboratorio sotterraneo di Modane, in Francia. Esso ha acquisito i dati di 20 cristalli Li2MoO4 sino al 2020 e rappresentava il follow-up del progetto LUMINEU. CUPID-Mo ha dimostrato che i bolometri fatti di Li2MoO4 soddisfano le richieste di CUPID, ha provato la maturità delle tecnologie proposte e gli alti standard dei rivelatori con Li2MoO4 in termini di risoluzione energetica, capacità di distinguere particelle α da particelle β, radiopurezza e riproducibilità dei risultati.
I criostato di CUORE (e CUPID) durante la costruzione. L’unità di diluizione à visibile al centro. | La geometria dell’esperimento CUPID, simulata in Geant4. |
I rivelatori
I rivelatori dell’esperimento CUPID sono cristalli di Li2MoO4 operati come rivelatori criogenici ed accoppiatiad un rivelatore di luce. Quest’ultimi sono dei wafer di germanio, anch’essi utilizzati come calorimetri. Quando una particella interagisce nel cristallo, essa rilascia energia sotto forma di fononi e di luce di scintillazione. La variazione di temperatura del cristallo, indotta dalla ricombinazione dei fononi, è letta da un termistore di germanio (NTD) incollato al cristallo. La luce, invece, lascia i cristalli e induce un segnale fononico nel rivelatore di luce che viene allo stesso modo letto da un NTD.
Schema di un calorimetro criogenico di CUPID; in blu il cristallo di Li2MoO4 in grigio il rivelatore di luce associato. | Istallazione di cristalli per una presa dati di test di CUPID. Un rivelatore di luce è visibile in basso a destra. |