Il 23 ottobre 2017, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN è stato avviato l’esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), il più grande rivelatore criogenico mai costruito, concepito per studiare le proprietà dei neutrini. Nei primi due mesi di presa dati, l’esperimento ha funzionato con una precisione straordinaria, soddisfacendo pienamente le aspettative dei fisici che lo hanno realizzato.
Grazie alla notevole precisione raggiunta in questa prima fase, Cuore è già riuscito a restringere significativamente la regione in cui cercare il rarissimo fenomeno del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, principale obiettivo scientifico dell’esperimento. Rivelare questo processo consentirebbe non solo di determinare la massa dei neutrini, ma anche di dimostrare la loro eventuale natura di particelle di Majorana, fornendo una possibile spiegazione alla prevalenza della materia sull’antimateria nell’universo.
«Questa è solo l’anteprima di ciò che uno strumento di queste dimensioni è in grado di fare», commenta Oliviero Cremonesi, responsabile scientifico dell’esperimento CUORE. «Abbiamo grandi aspettative per il futuro. Nei prossimi cinque anni, infatti, CUORE registrerà una quantità di dati 100 volte superiore a quelli acquisiti in questo primo periodo di presa dati», conclude Cremonesi.
Il rivelatore di CUORE è un gigante di 741 chili realizzato con una tecnologia basata su cristalli cubici ultrafreddi di tellurite progettati per funzionare a temperature bassissime: 10 millesimi di grado sopra lo zero assoluto (–273,15 °C). La sua struttura è formata da 19 torri costituite ciascuna da 52 cristalli di tellurite purificata da qualunque contaminante. La più ardita sfida tecnologica affrontata dall’esperimento è stata la realizzazione del criostato in grado di mantenere a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto le 19 torri sospese al suo interno.
L’esperimento lavora in condizioni ambientali di estrema purezza, in particolare di bassissima radioattività. Il criostato è infatti schermato dalla pioggia di particelle che provengono dal cosmo, sia dai 1400 metri di roccia del massiccio del Gran Sasso, sia da uno speciale scudo protettivo realizzato grazie alla fusione di lingotti di piombo recuperati da una nave romana affondata oltre 2000 anni fa, al largo delle coste della Sardegna. Anche gli altri componenti del rivelatore, come ad esempio i supporti in rame che sostengono le torri, sono stati preparati in condizioni di bassissima radioattività e sono stati assemblati evitando qualsiasi contatto con l’aria per impedire contaminazioni provenienti dall’ambiente.
CUORE è un esperimento di altissima precisione che impiega una tecnologia unica al mondo e la sua costruzione ha richiesto oltre dieci anni di lavoro. Prima di completare CUORE i ricercatori hanno costruito un prototipo chiamato Cuore-0, composto da un’unica torre in funzione dal 2013 al 2015 i cui primi risultati sono stati annunciati nell’aprile 2015.
«Progettare e costruire CUORE è stata un'avventura straordinaria e vederlo in funzione è una grandissima soddisfazione – sottolinea Ettore Fiorini, professore emerito presso l’Università di Milano-Bicocca, che per primo ha proposto l'esperimento nel 1998 –
L'idea di utilizzare rivelatori termici per la fisica del neutrino ha richiesto decenni di lavoro e lo sviluppo di tecnologie che oggi vengono applicate anche in settori molto distanti dalla fisica delle particelle elementari».
L’esperimento è frutto della collaborazione internazionale di oltre 150 scienziati provenienti da 25 diverse istituzioni, prevalentemente italiane e americane, ed è stato guidato da Oliviero Cremonesi, ricercatore INFN e docente all’Università degli Studi di Milano-Bicocca. L’Università Bicocca ha avuto un ruolo importante nello sviluppo di CUORE e il Dipartimento di Fisica “Giuseppe Occhialini” si conferma come realtà all’avanguardia nello sviluppo dei rivelatori termici. Il team di ricerca, costituito da 24 fisici del Dipartimento e della Sezione di Milano-Bicocca dell'INFN, ha contribuito all’esperimento in tutti i suoi aspetti: la tecnologia dei bolometri, l’elettronica ultra-sensibile per la rivelazione del segnale termico, il sistema criogenico per il raffreddamento dei cristalli di tellurite, le tecniche per la riduzione dei contaminanti radioattivi e le metodologie di analisi per l’identificazione del doppio decadimento beta.
