LNGS, esperimento GERDA: nuovo traguardo scientifico

L’esperimento ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN raggiunge la più alta sensibilità nella ricerca di uno dei decadimenti più rari, ancora mai osservato

L’AQUILA – L’esperimento GERDA, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che ricerca il rarissimo decadimento doppio beta senza emissione di neutrini, una sorta di Sacro Graal per la fisica delle particelle elementari, ha conquistato un altro importante traguardo scientifico raggiungendo un nuovo record di sensibilità. Questo risultato è stato ottenuto dopo aver raccolto dati ininterrottamente per due anni e mezzo e aver ridotto a un livello bassissimo gli eventi che costituiscono il cosiddetto “rumore di fondo”. Il risultato è pubblicato oggi 5 settembre su Science.

Il decadimento doppio beta senza emissione di neutrini, se rivelato, fornirebbe informazioni essenziali sulla natura dei neutrini: ci consentirebbe, per esempio, di sapere se i neutrini sono identici alle loro antiparticelle, di ottenere indicazioni sul meccanismo che dà loro massa e sul perché nell’universo attuale c’è molta più materia che antimateria. Il decadimento ancora sfugge all’osservazione, ma GERDA è il primo esperimento a raggiungere una sensibilità per il tempo di dimezzamento (cioè il tempo che deve trascorrere affinché la metà dei nuclei dia luogo al decadimento) di oltre 1026 anni, di gran lunga superiore all’età dell’universo.

“Il risultato ottenuto dimostra come l’idea scientifica di base e le soluzioni tecniche adottate siano state vincenti, essendo riusciti a ottenere un fondo molto basso, e una elevata affidabilità dell’apparato”, sottolinea Riccardo Brugnera, ricercatore INFN e professore all’Università degli Studi di Padova, responsabile internazionale dell’esperimento. “GERDA terminerà la sua presa dati alla fine di quest’anno e sarà sostituito da un nuovo apparato, LEGEND-200, basato sugli stessi principi, ma con un numero 5 volte superiore di rivelatori e un fondo previsto 5 volte inferiore. LEGEND-200 migliorerà così di un fattore 10 la sensibilità record di GERDA”, conclude Brugnera.

Il decadimento doppio beta senza emissione di neutrini e il neutrino di Majorana

I neutrini sono particelle molto difficili da studiare perché sono neutre, hanno massa piccolissima, quasi nulla, e interagiscono pochissimo con la materia. Giocano però un ruolo centrale nel funzionamento delle stelle, nell’esplosione delle supernovae e nella formazione degli elementi durante il big bang. Una loro proprietà fondamentale è al momento ancora sconosciuta: non sappiamo, infatti, se i neutrini siano o no particelle di Majorana, vale a dire se coincidano con le loro antiparticelle. Nel caso lo fossero, allora dovrebbe esistere il decadimento doppio beta senza emissione di neutrini.

Nel decadimento doppio beta senza neutrini, due neutroni all’interno di un nucleo decadono simultaneamente in due protoni e due elettroni: la somma delle energie dei due elettroni coincide con l’energia ben nota rilasciata nel decadimento. La misura di questa specifica energia costituisce la firma principale del decadimento doppio beta senza neutrini, ancora mai osservato sperimentalmente.

Si tratta di un processo proibito dal Modello Standard, che è la nostra attuale teoria che descrive il mondo delle particelle elementari e le loro interazioni e, se rivelato, porterebbe quindi importanti indizi per la scoperta di Nuova Fisica. Se i neutrini fossero le particelle ipotizzate da Ettore Majorana 80 anni fa, sarebbero, per esempio, l’unica particella elementare finora nota in grado di acquisire massa senza bisogno del bosone di Higgs.

GERDA e la ricerca di eventi rari

La rivelazione di questi decadimenti radioattivi naturali estremamente rari può offrire la possibilità di indagare regioni inesplorate della natura. La ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini implica però una strenua battaglia contro altri eventi naturali molto più comuni, i cosiddetti “processi di fondo”, che simulano il segnale ricercato, inquinandolo e rendendone difficile la rivelazione. Attualmente, ci sono più di una dozzina di esperimenti sparsi in tutto il mondo che ricercano questo raro decadimento usando una grande varietà di metodi sperimentali e di nuclei. E GERDA è uno degli esperimenti leader in questo campo.

GERDA è allestito nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, dove la montagna sovrastante scherma l’esperimento dai raggi cosmici che creerebbero segnali di disturbo per il rivelatore. I rivelatori a germanio funzionano dentro un criostato contenente 63 metri cubi di argon liquido a una temperatura di -190 °C. Il criostato è a sua volta immerso in un contenitore riempito con 590 metri cubi di acqua ultrapura. L’argon e l’acqua sono privi di contaminazioni e agiscono come schermi contro la radiazione naturale proveniente dall’ambiente esterno. La battaglia contro gli eventi di fondo rende anche indispensabile una selezione accuratissima di tutto il materiale vicino ai rivelatori (cavi, supporti ecc.). Un’analisi attenta della forma dei segnali proveniente dai rivelatori stessi permette inoltre di identificare gli eventi di fondo con elevata probabilità e quindi di eliminarli.

Per la misura dell’energia rilasciata dai due elettroni, esso utilizza speciali rivelatori a germanio. L’8% del germanio naturale è fatto dall’isotopo 76, l’unico fra quelli del germanio che può originare un decadimento doppio beta. Nei rivelatori a germanio impiegati da GERDA questa percentuale è incrementata all’86%. I rivelatori a germanio sono dei dispositivi potentissimi per la ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini poiché permettono di misurare l’energia dei due elettroni con una precisione superiore a tutti gli altri tipi di rivelatore a disposizione. Questa caratteristica permette di ridurre drasticamente l’intervallo di ricerca del decadimento: è così possibile escludere eventi dovuti a decadimenti radioattivi non interessanti. Se osservato, il decadimento doppio beta sarebbe il più raro dei decadimenti, con un tempo di dimezzamento molti ordini di grandezza superiore all’età dell’universo. Si capisce allora come la riduzione degli eventi di fondo sia il punto cruciale per la sensibilità dell’esperimento. GERDA ha ridotto a tal punto gli eventi naturali non interessanti da potersi definire un esperimento “privo di fondo”, vale a dire per l’intera durata della presa dati, circa 3 anni, non registrerà alcun evento di fondo nell’intervallo di ricerca fissato dalla risoluzione energetica dei rivelatori. Questa caratteristica lo rende ben adatto a scoprire il segnale del doppio decadimento beta senza neutrini, che si manifesterebbe con un numero molto piccolo di eventi dell’energia attesa.

GERDA continuerà a prendere dati fino alla fine del 2019, dopodiché sarà seguito, in tempi brevi, da un nuovo esperimento, LEGEND-200, di concezione similare, ma con caratteristiche migliorate e capace di raggiungere una sensibilità sul tempo di dimezzamento superiore ai 1027 anni.

GERDA è una collaborazione europea che comprende più di 100 scienziati provenienti da Germania, Italia, Russia, Svizzera, Polonia e Belgio. I fisici italiani provengono dai Laboratori INFN del Gran Sasso e del Sud, e dalle Sezioni INFN e Università dell’Aquila, di Milano, Milano Bicocca e Padova. Rilevante è stato anche il coinvolgimento dell’industria italiana, con Di Zio, CAEN e Tecnomec.