La caccia al neutrino di Majorana: un enigma della fisica
Il neutrino di Majorana rappresenta una delle sfide più affascinanti e complesse della fisica moderna. Questa particella ipotetica, teorizzata dal fisico italiano Ettore Majorana, possiede la peculiarità di essere identica alla sua antiparticella. La sua esistenza potrebbe fornire risposte a interrogativi fondamentali sull’universo, come l’asimmetria tra materia e antimateria.
Per comprendere appieno la rilevanza di questa ricerca, è necessario introdurre il concetto di decadimento doppio beta senza emissione di neutrini. Questo rarissimo fenomeno, mai osservato finora, si verificherebbe quando due neutroni all’interno di un nucleo atomico si trasformano simultaneamente in due protoni, emettendo due elettroni ma nessun neutrino. La sua osservazione confermerebbe la natura di Majorana del neutrino e aprirebbe nuove finestre sulla fisica oltre il Modello Standard.
L’esperimento CUORE: un’eccellenza italiana ai Laboratori del Gran Sasso
L’esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), condotto presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), rappresenta un’eccellenza italiana nella ricerca di fenomeni rari e sfuggenti come il decadimento doppio beta senza emissione di neutrini. La collaborazione internazionale CUORE, che coinvolge oltre 20 istituzioni, ha l’obiettivo di rivelare questo processo attraverso un rivelatore criogenico di alta precisione.
Il cuore dell’esperimento è costituito da 988 cristalli di diossido di tellurio (TeO2), un materiale scelto per le sue proprietà di scintillazione e per la sua abbondanza isotopica del tellurio-130, un isotopo candidato al decadimento doppio beta. Questi cristalli vengono raffreddati a temperature estremamente basse, vicine allo zero assoluto (-273.15 °C), per ridurre al minimo il rumore termico e aumentare la sensibilità del rivelatore.
La posizione sotterranea dei Laboratori del Gran Sasso, protetta da 1400 metri di roccia, fornisce un’ulteriore schermatura contro le radiazioni cosmiche, riducendo ulteriormente il rumore di fondo. Inoltre, l’esperimento utilizza speciali schermature realizzate con lingotti di piombo romano, recuperati da un relitto di 2000 anni fa, per minimizzare l’interferenza delle radiazioni ambientali.
L’algoritmo anti-rumore: una svolta per la precisione
Nonostante le sofisticate misure di schermatura, il rivelatore CUORE è comunque soggetto a segnali di disturbo residui che possono mascherare gli eventi rari del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini. Per superare questa sfida, i ricercatori hanno sviluppato un algoritmo anti-rumore innovativo, in grado di filtrare i dati e identificare i segnali di interesse con elevata precisione.
Questo algoritmo, descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Science, utilizza tecniche avanzate di analisi del segnale per distinguere tra gli eventi reali e il rumore di fondo. In pratica, è come se l’algoritmo agisse come un paio di auricolari super-silenziosi, eliminando le interferenze e permettendo di ascoltare solo i suoni rilevanti.
Grazie a questo algoritmo, i ricercatori di CUORE hanno potuto stabilire un nuovo limite inferiore per il tempo di dimezzamento del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini, indicando che il fenomeno potrebbe verificarsi non più di una volta ogni 35 milioni di miliardi di miliardi di anni. Questo risultato, pur non rappresentando ancora una scoperta definitiva, restringe ulteriormente il campo di ricerca e fornisce preziose informazioni per futuri esperimenti.
Implicazioni e prospettive future
La ricerca condotta nell’ambito dell’esperimento CUORE ha implicazioni significative per la fisica delle particelle e per la nostra comprensione dell’universo. La scoperta del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini confermerebbe la natura di Majorana del neutrino e aprirebbe nuove strade per la comprensione dell’asimmetria tra materia e antimateria, uno dei misteri più profondi della cosmologia.
Inoltre, le tecniche sviluppate per l’esperimento CUORE, in particolare l’algoritmo anti-rumore, potrebbero trovare applicazioni in altri campi della ricerca scientifica, come lo studio della materia oscura e delle onde gravitazionali. Come sottolinea Chiara Brofferio dell’Università di Milano Bicocca e INFN, responsabile della collaborazione italiana di CUORE, “Le tecniche che abbiamo sviluppato per sottrarre il rumore potrebbero essere utili anche per altri rivelatori sensibili”.
L’esperimento CUORE continuerà a raccogliere dati fino al 2026, con l’obiettivo di aumentare ulteriormente la sensibilità del rivelatore e di avvicinarsi alla scoperta del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini. Nel frattempo, la comunità scientifica internazionale è già al lavoro per progettare esperimenti di nuova generazione, ancora più ambiziosi, che potrebbero finalmente svelare il mistero del neutrino di Majorana e rivoluzionare la nostra comprensione dell’universo.
Un passo avanti nella comprensione dell’universo
L’esperimento CUORE rappresenta un esempio di eccellenza scientifica italiana e internazionale, capace di spingere i confini della conoscenza umana. La ricerca del neutrino di Majorana e del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini è una sfida complessa e affascinante, che potrebbe portare a scoperte rivoluzionarie sulla natura della materia e sull’evoluzione dell’universo. L’innovativo algoritmo anti-rumore sviluppato nell’ambito di CUORE dimostra come l’ingegno umano possa superare le sfide tecnologiche più complesse, aprendo nuove prospettive per la ricerca scientifica in diversi campi.