Wednesday, 06 June 2018 back

CUPID-0: sulle tracce del decadimento più lento dell’Universo

CUPID-0 scocca le prime frecce e colpisce il bersaglio. L'esperimento stabilisce un nuovo limite per il decadimento doppio beta senza emissione di neutrini. Il GSSI è coinvolto nelle attività di CUPID-0 con i ricercatori Luca Pattavina e Karoline Schäffner e con Lorenzo Pagnanini, che ha conseguito il PhD di recente. 

 

Il precedente limite ottenuto per lo stesso isotopo è circa dieci volte inferiore. Tutti i dettagli sono contenuti nella pubblicazione uscita su Physical Review Letter.

Il risultato di CUPID-0 dimostra che l'identificazione e la reiezione del fondo radioattivo indotto da decadimenti naturali alpha, consente di raggiungere una radiopurezza senza precedenti per i calorimetri criogenici. Detto in altre parole, CUPID-0 è un esperimento molto silenzioso, molto pulito.  È grazie a un fondo radioattivo così basso che un esperimento di piccole dimensioni come CUPID-0 può raggiungere risultati competitivi.

“Cercare di dimostrare l’ipotesi di Majorana sulla natura del neutrino che forse ci potrebbe aiutare a comprendere il mistero della scomparsa dell’antimateria è una impresa di una difficoltà straordinaria. CUPID-0 apre una prospettiva realistica per un futuro esperimento che possa avere una possibilità di successo” sottolinea Fernando Ferroni, presidente dell’INFN.

“Il grande sforzo della collaborazione è iniziato nel 2010 con il grant europeo LUCIFER e oggi viene ampiamente ripagato da questi risultati scientifici. Ringrazio quindi tutti i colleghi che negli anni hanno contribuito a costruire questo successo ed i LNGS per il continuo supporto offerto”, commenta lo Spokesperson Stefano Pirro (LNGS).

“Siamo davvero soddisfatti dei primi risultati ottenuti con CUPID-0, poiché costituiscono il coronamento di molti anni ricerca e sviluppo condotto dai vari gruppi della collaborazione” commenta Luca Pattavina, Responsabile Locale dell’esperimento e ricercatore presso il Gran Sasso Science Institute - GSSI.

Il team italo-francese di CUPID-0, soddisfatto dell’eccellente risultato, continua a raccogliere dati per migliorare ulteriormente il limite ottenuto e realizzare un modello che spieghi il fondo misurato in vista di un esperimento di nuova generazione basato su calorimetri criogenici scintillanti.

Può sembrare contraddittorio, eppure per scoprire le proprietà della particella più elusiva dell’universo, il neutrino, si cerca un processo in cui i neutrini (apparentemente) non si manifestano: il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini (0νββ).

Nonostante il nome fuorviante i neutrini in questo decadimento ci sono e giocano un ruolo fondamentale.
In un decadimento beta singolo un neutrone si trasforma in un protone, emettendo un elettrone e un antineutrino. In natura è possibile anche il processo inverso, in cui un neutrino interagisce con un neutrone producendo un protone e un elettrone. Se il neutrino è una particella di Majorana, cioè coincide con l’antineutrino, l’antineutrino prodotto nel primo decadimento beta potrebbe a sua volta interagire (come neutrino) con un neutrone ed emettere un altro protone e un secondo elettrone.
Il risultato finale è la trasformazione di due neutroni in due protoni e due elettroni, senza che vi siano neutrini nello stato finale e viene chiamato doppio decadimento beta senza emissione di neutrini.

In questo processo il neutrino gioca un ruolo determinante poiché esso è possibile solo se il neutrino è una particella di Majorana.

L’osservazione del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini, consentirebbe quindi di cominciare a riempire alcune caselle rimaste vuote nella “carta d’identità” del neutrino. Inoltre aiuterebbe a capire le possibili ragioni che hanno generato l’asimmetria tra materia e antimateria nel nostro universo, trasformandolo in ciò che oggi “vediamo” coi telescopi e “sentiamo” con le antenne gravitazionali.

Un futuro scintillante

Il successo di CUPID-0 nel dimostrare che i cristalli scintillanti sono un eccellente strumento per diminuire il fondo getta solide basi per un esperimento futuro basato su questa tecnica. Un altro cristallo scintillante, il molibdato di litio (Li2MoO4), è stato utilizzato per realizzare un secondo dimostratore, sulla scia di CUPID-0, che entro l’estate inizierà la presa dati nei Laboratori Sotterranei di Modane in Francia.

La strada che porta alla scoperta del neutrino di Majorana è ancora lunga ma le potenzialità dimostrate dalla tecnica di CUPID-0 fanno prevedere un futuro scintillante.

Da LUCIFER A CUPID
Il progetto CUPID (CUORE Upgrade with Particle IDentification) nasce con lo scopo di realizzare un rivelatore bolometrico innovativo in grado di lavorare in condizioni di radiopurezza estrema, utilizzando l’infrastruttura di CUORE. CUPID-0 è il primo prototipo che, in vista del futuro CUPID, sta testando calorimetri scintillanti basati su cristalli di seleniuro di zinco. Costruito tra il 2015 ed il 2016 ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, CUPID-0 ha iniziato a raccogliere dati nel marzo 2017 mostrando un continuo miglioramento delle prestazioni sperimentali. CUPID-0 è il primo esperimento per la ricerca del doppio decadimento beta, realizzato con bolometri arricchiti isotopicamente e scintillanti, in grado di raggiungere una sensibilità comparabile a quella degli attuali esperimenti. L’esperimento consente di misurare sia il calore sia la luce all’interno del cristallo. Combinando le due misure si riesce a identificare e distinguere i decadimenti alfa dai decadimenti beta con altissima precisione.
Attualmente si stanno sperimentando differenti tecniche per individuare quella più promettente per un esperimento di nuova generazione. Un altro cristallo scintillante, il molibdato di litio, studiato per la prima volta all’interno della collaborazione LUCIFER è stato utilizzato per realizzare un secondo prototipo, che entro l’estate inizierà la presa dati nei Laboratori Sotterranei di Modane in Francia. Anche quest’ultimo progetto vede un forte coinvolgimento dell’INFN.


The CUPID-0 experiment (CUORE Upgrade with Particle IDentification) installed at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso of INFN published its first results on Physical Review Letters.

Approximately one year after the start of the data taking, which began in March 2017, scientists from the CUPID-0 collaboration have achieved a new limit for the neutrinoless double beta decay in a selenium isotope. The new limit is about ten times higher than the previous one.

CUPID-0 is testing scintillating calorimeters based on zinc selenide crystals, developed thanks to the funding of the European Research Council (ERC, Advanced Grant) of the LUCIFER project (Low-background Underground Cryogenic Installation for Elusive Rates), won in 2009 by Fernando Ferroni , current president of the INFN. This technology will then be used in the future larger project, CUPID, a third-generation experiment to be built at LNGS in the next decade.

The aim of CUPID-0 is to study the neutrino-less double beta decay, a very rare phenomenon that, if revealed, would imply that neutrino and antineutrino are Majorana particles, i.e. that particle and antiparticle are the same.

"Trying to prove Majorana's hypothesis on the ultimate nature of the neutrino, that perhaps could help us to understand the mystery of the disappearance of antimatter, is an extraordinary challenge. CUPID-0 opens up a realistic perspective for a future experiment that can have a chance of success ", emphasizes Fernando Ferroni, president of INFN.

"The great effort of the collaboration started in 2010 with the European LUCIFER grant and today it is amply repaid by these scientific results. I therefore thank all the colleagues who have contributed to this experiment over the last years and the LNGS for the continuous and outstanding support ", comments Spokesperson Stefano Pirro (LNGS).


From LUCIFER TO CUPID
The CUPID project begun with the aim of developing an innovative bolometric detector able to work in extreme radiopure conditions, using the CUORE infrastructure. CUPID-0 is the first prototype that, in view of the future CUPID, is testing scintillating calorimeters based on zinc selenide crystals.
Built between 2015 and 2016 at the Gran Sasso National Laboratories, CUPID-0 started collecting data in March 2017 showing a continuous improvement of the experimental performances. CUPID-0 is the first experiment for the research for neutrinoless double beta decay, realized with isotopically enriched scintillating bolometers, able to reach a sensitivity comparable to that of the current experiments. The experiment allows to measure both the heat and the light inside the crystal. By combining these two independent measurements, it is possible to identify and distinguish alpha decays from beta decays with very high precision.
Several different techniques are presently under development to identify the most promising candidate for a new generation experiment. Another scintillating crystal, lithium molybdate, studied for the first time within the LUCIFER collaboration, has been used to create a second prototype, which will start taking data in the Modane underground laboratories in France by this summer. INFN and the CUPID-0 collaboration have a strong involvement also within this last project.