Dossier

Il decadimento beta consiste nella trasformazione di un neutrone in un protone con l’emissione di un elettrone e di un antineutrino. Nel caso del doppio decadimento si possono verificare due fenomeni. Il primo, è il doppio decadimento beta con due neutrini, ovvero il decadimento di due neutroni, con stesso meccanismo del singolo decadimento. L’altro, il doppio decadimento senza neutrini, è un fenomeno più complesso: l’antineutrino emesso nella trasformazione del primo neutrone in protone, viene assorbito come neutrino nella trasformazione del secondo neutrone. In questo modo l’effetto complessivo sarebbe l’assenza di neutrini, ed implicherebbe che il neutrino e l’antineutrino siano la stessa particella.

Sono entrambi eventi estremamante rari, ma il decadimento senza neutrini è ancora più raro,  con un tempo di dimezzamento che è, in media di circa 10²¹: questo significa che la trasformazione avverrebbe per metà dei neutroni osservati, in un tempo pari a circa 100 miliardi di volte l’eta dell’universo.

E’ questo il fenomeno cui gli scienziati di GERDA stanno dando la caccia. Fino ad ora esso è stato solo teorizzato nel 1935 dal premio Nobel per la fisica Maria Goeppert-Mayer e puo’ avvenire per una serie di isotopi di elementi chimici, tra cui l’isotopo 76 del germanio (76-Ge).

Il progetto GERDA, iniziato  nel 2011, viene condotto da una collaborazione di 16 università internazionali, in Germania, Italia, Svizzera, Polonia, Belgio e Russia, e prevede due fasi: in una prima fase, gli scienziati stanno dando la caccia al fenomeno con l’utilizzo di 18 kg dell’isotopo 76 di Ge-76 e hanno calibrato lo strumento in modo da raggiungere una sensibilità di misura senza precedenti. In una seconda fase gli esperti estenderanno a 100 kg il quantitativo di Ge-76, in modo da compiere un ultimo sforzo per aumentare ulteriormente la sensibilità delle misurazioni e provare a raccogliere dati quantitativi sulla massa del neutrino.

L’impresa rasenta una “mission impossible”: cercare un ago in un pagliaio in confronto, è un gioco da ragazzi. Infatti, il fenomeno è non solo estremamente raro, ma è anche associato a un segnale molto debole. I primi risultati, dall’inizio della prima fase, non ne hanno ancora rivelato la presenza; ciò nonostante, il progetto ha fatto e continua fare progressi fondamentali.

Al di sotto di 1,500 metri di roccia del monte Gran Sasso, gli scienziati hanno installato i cristalli di Ge-76 sia come sorgenti di protoni per il decadimento, sia come rivelatori del fenomeno. I cristalli sono immersi in un contenitore, sei metri in altezza per quattro in lunghezza, di argon liquido purissimo, a sua volta immerso in una cisterna di 10 metri di diametro contenente acqua purissima. In tal modo gli scienziati sono riusciti a schermare l’esperimento da tutti gli elementi di disturbo, tra cui la radioattività naturale e i raggi cosmici, che sono miliardi di volte più intensi del segnale cercato.

Inoltre, abbassando la temperatura del campione a circa –185 gradi Celsius con argon liquido, gli scienziati sono riusciti ad aumentare la potenziale amplificazione del segnale e a ottenere un’accuratezza nelle misure senza precedenti, abbassando il limite di rivelazione del fenomeno fino a tempi di dimezzamento dell’ordine di 10²⁵ anni.

,

Il decadimento beta consiste nella trasformazione di un neutrone in un protone con l’emissione di un elettrone e di un antineutrino. Nel caso del doppio decadimento si possono verificare due fenomeni. Il primo, è il doppio decadimento beta con due neutrini, ovvero il decadimento di due neutroni, con stesso meccanismo del singolo decadimento. L’altro, il doppio decadimento senza neutrini, è un fenomeno più complesso: l’antineutrino emesso nella trasformazione del primo neutrone in protone, viene assorbito come neutrino nella trasformazione del secondo neutrone. In questo modo l’effetto complessivo sarebbe l’assenza di neutrini, ed implicherebbe che il neutrino e l’antineutrino siano la stessa particella.

Sono entrambi eventi estremamante rari, ma il decadimento senza neutrini è ancora più raro,  con un tempo di dimezzamento che è, in media di circa 10²¹: questo significa che la trasformazione avverrebbe per metà dei neutroni osservati, in un tempo pari a circa 100 miliardi di volte l’eta dell’universo.

E’ questo il fenomeno cui gli scienziati di GERDA stanno dando la caccia. Fino ad ora esso è stato solo teorizzato nel 1935 dal premio Nobel per la fisica Maria Goeppert-Mayer e puo’ avvenire per una serie di isotopi di elementi chimici, tra cui l’isotopo 76 del germanio (76-Ge).

Il progetto GERDA, iniziato  nel 2011, viene condotto da una collaborazione di 16 università internazionali, in Germania, Italia, Svizzera, Polonia, Belgio e Russia, e prevede due fasi: in una prima fase, gli scienziati stanno dando la caccia al fenomeno con l’utilizzo di 18 kg dell’isotopo 76 di Ge-76 e hanno calibrato lo strumento in modo da raggiungere una sensibilità di misura senza precedenti. In una seconda fase gli esperti estenderanno a 100 kg il quantitativo di Ge-76, in modo da compiere un ultimo sforzo per aumentare ulteriormente la sensibilità delle misurazioni e provare a raccogliere dati quantitativi sulla massa del neutrino.

L’impresa rasenta una “mission impossible”: cercare un ago in un pagliaio in confronto, è un gioco da ragazzi. Infatti, il fenomeno è non solo estremamente raro, ma è anche associato a un segnale molto debole. I primi risultati, dall’inizio della prima fase, non ne hanno ancora rivelato la presenza; ciò nonostante, il progetto ha fatto e continua fare progressi fondamentali.

Al di sotto di 1,500 metri di roccia del monte Gran Sasso, gli scienziati hanno installato i cristalli di Ge-76 sia come sorgenti di protoni per il decadimento, sia come rivelatori del fenomeno. I cristalli sono immersi in un contenitore, sei metri in altezza per quattro in lunghezza, di argon liquido purissimo, a sua volta immerso in una cisterna di 10 metri di diametro contenente acqua purissima. In tal modo gli scienziati sono riusciti a schermare l’esperimento da tutti gli elementi di disturbo, tra cui la radioattività naturale e i raggi cosmici, che sono miliardi di volte più intensi del segnale cercato.

Inoltre, abbassando la temperatura del campione a circa –185 gradi Celsius con argon liquido, gli scienziati sono riusciti ad aumentare la potenziale amplificazione del segnale e a ottenere un’accuratezza nelle misure senza precedenti, abbassando il limite di rivelazione del fenomeno fino a tempi di dimezzamento dell’ordine di 10²⁵ anni.