Nel cuore delle montagne dell'Appennino centrale, sotto quasi un miglio e mezzo di roccia, un gruppo internazionale di fisici sta conducendo una delle ricerche più ambiziose della fisica contemporanea. L'obiettivo è osservare un processo teorico così raro che potrebbe verificarsi una volta ogni 50 settilioni di anni, una cifra che supera di gran lunga l'età dell'universo stesso. Si tratta della ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini, un fenomeno che, se confermato, rivoluzionerebbe il Modello Standard della fisica delle particelle e getterebbe nuova luce su uno dei misteri più profondi dell'universo: perché esiste più materia che antimateria.
Il sito che ospita questa straordinaria impresa scientifica è il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso, in Abruzzo. Qui opera CUORE, acronimo che sta per Cryogenic Underground Observatory for Rare Events, un esperimento che ha appena raggiunto un traguardo significativo: la raccolta di due tonnellate-anno di dati. Questo parametro indica l'equivalente di due anni di raccolta dati se i cristalli a forma di cubo del rivelatore pesassero una tonnellata.
La sfida tecnica che gli scienziati hanno dovuto affrontare va ben oltre la semplice costruzione di strumenti di misura ultrasensibili. Il principale nemico della precisione è risultato essere il rumore: non solo quello acustico, ma ogni tipo di vibrazione. Le conversazioni sommesse dei ricercatori nei corridoi, le onde dell'oceano che si infrangono sulla costa italiana a chilometri di distanza, persino i terremoti che avvengono in qualsiasi parte del mondo possono disturbare le delicatissime misurazioni.
Per comprendere cosa stanno cercando questi scienziati, occorre fare un passo indietro. Il decadimento doppio beta è un processo già noto e documentato: due neutroni nel nucleo di un atomo si trasformano in due protoni, emettendo due elettroni e due antineutrini. Gli antineutrini sono la controparte di antimateria dei neutrini. La versione "senza neutrini" di questo processo, invece, rimane teorica: secondo questa ipotesi, non verrebbero creati antineutrini, il che dimostrerebbe che neutrini e antineutrini sono la stessa cosa, ovvero che il neutrino è la propria antiparticella.
Il nuovo studio pubblicato sulla rivista Science presenta i risultati ottenuti grazie a un algoritmo appositamente progettato, una sorta di cuffie con cancellazione del rumore su scala gigantesca. Il team ha installato più di due dozzine di sensori che misurano temperatura, suono, vibrazioni e interferenze elettriche nelle vicinanze del rivelatore. Confrontando le informazioni raccolte dai sensori con i dati registrati, gli scienziati hanno imparato a distinguere quali segnali fossero vero "rumore" da ignorare, applicando poi il nuovo algoritmo sia ai dati precedentemente raccolti sia a quelli nuovi.
Come spiega Reina Maruyama, professoressa di fisica e astronomia all'università di Yale e membro del team CUORE, "l'obiettivo di questo rilascio di dati è comprendere le fonti di vibrazioni esterne e imparare a sottrarle dai nostri dati per cercare meglio questo decadimento estremamente raro". L'ambiente del laboratorio sotto il Gran Sasso è già protetto da schermature a bassa radioattività realizzate con lingotti di piombo recuperati da un relitto romano di duemila anni fa, un dettaglio che aggiunge fascino storico a questa avventura scientifica ultramoderna.
L'esperimento, guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia statunitense e che coinvolge oltre venti istituzioni di ricerca tra cui Yale, ha iniziato le operazioni nel 2017 dopo anni di pianificazione. CUORE continuerà la raccolta dati fino alla fine di quest'anno, per poi cedere il testimone al suo successore: CUPID, acronimo di CUORE Upgrade with Particle Identification.
La versione aggiornata dell'esperimento introdurrà sensori luminosi potenziati abbinati ai rivelatori termici per migliorare l'identificazione degli eventi e la discriminazione del rumore di fondo. Inoltre, utilizzerà cristalli di molibdeno arricchito al posto del tellurio impiegato finora. Queste modifiche dovrebbero aumentare significativamente la sensibilità dell'apparato.
Le implicazioni della scoperta del decadimento doppio beta senza neutrini sarebbero profonde. "Rilevare questo processo rivelerebbe che i neutrini sono le proprie antiparticelle, note come particelle di Majorana", afferma Karsten Heeger, professore di fisica a Yale e recente portavoce internazionale dell'esperimento CUPID. "Questa natura unica dei neutrini potrebbe spiegare l'asimmetria materia-antimateria nell'universo, il fatto che ci sia più materia che antimateria. Violerebbe anche un principio fondamentale del Modello Standard della fisica delle particelle chiamato numero leptonico e fornirebbe prove inequivocabili di nuova fisica."
I ricercatori di Yale guidano diversi aspetti di CUORE e CUPID, incluso lo sviluppo dell'analisi a bassa energia e la riduzione dei fondi indotti dai muoni. Oltre a Maruyama e Heeger, il team comprende la scienziata Penny Slocum, il ricercatore postdottorato Tyler Johnson, l'ingegnere James Wilhelmi, gli studenti di dottorato Ridge Liu, Maya Moore e Zach Muraskin, e l'ex studentessa Samantha Pagan. Questo gruppo di ricerca rappresenta l'impegno di una delle più prestigiose università americane in un progetto che potrebbe riscrivere la nostra comprensione delle leggi fondamentali della natura.