Alla ricerca del neutrino di Majorana nei laboratori del Gran Sasso

Piccoli cilindri di un elemento raro, posti al centro di un enorme volume di Argon allo stato liquido, freddissimo, a sua volta circondato da un serbatoio di acqua del diametro di 10 metri, nelle sale del più grande laboratorio astroparticellare del mondo, quello dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare sotto 1400 metri di roccia nel cuore dell’Italia, il Gran Sasso.

E’ l’esperimento GERDA (Germanium Detector Array) che si inaugura il 9 novembre 2010. GERDA è stato progettato per cercare un decadimento spontaneo della materia così raro da rendere la sua ricerca più ardua di quella di un ago nel pagliaio: in fisica si chiama doppio decadimento beta senza emissione di neutrini. Affinché si verifichi è necessario che il neutrino coincida con la sua particella di antimateria; il decadimento è comunque così raro da far sì che per scovarlo serva un lungo periodo di osservazione attenta e delicatissima. E’ come cogliere una singola particolare nota in una stagione di concerti: per sentirla occorre che l’acustica della sala sia perfetta.

Così è per l’esperimento GERDA. La sua “acustica” è garantita dai volumi di Argon liquido, acqua e roccia che, posti a mo’ di matrioska, proteggono la “nota” caratteristica dell’esperimento da miliardi di particelle provenienti dall’Universo profondo, ma anche dalla roccia del Gran Sasso e dalla struttura stessa del rivelatore. Questi “suoni” di disturbo dall’Universo sono fermati dalla roccia sovrastante il laboratorio (i primi), e infine dalle “matrioske” che proteggono l’esperimento (i secondi).

Il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini è una piccola rarissima nota proveniente dalla materia, importante per gli scienziati: se osservato, confermerebbe che i neutrini sono una particella così strana da coincidere con la sua particella di antimateria (neutrino di Majorana). Questa sarebbe un’informazione fondamentale per la fisica subnucleare, per l’astrofisica e la cosmologia.

La struttura di GERDA

GERDA è una collaborazione internazionale, alla quale partecipano 15 istituti di Italia, Germania, Russia, Svizzera, Polonia e Belgio. Inizialmente l’esperimento sarà condotto con 8 rivelatori della dimensione di una lattina per bibite e del peso di due chilogrammi ciascuno. Sono prodotti da monocristalli di germanio iper-puro, un semiconduttore, arricchito dell’isotopo germanio-76.
I nuclei del cristallo decadono e le particelle emesse (elettroni) nel decadimento doppio beta dei nuclei di germanio-76, rilasciano la loro energia sotto forma di “traccia” nel rivelatore. In GERDA i rivelatori sono allo stesso tempo “generatori” e rivelatori delle particelle emesse nel decadimento.
I cristalli di GERDA sono sospesi in un serbatoio (criostato) alto sei metri e largo quattro, contenente argon liquido. Il criostato è sua volta posto al centro di una cisterna d’acqua di dieci metri di diametro e dieci di altezza, che funge da ulteriore schermo.
Dopo un periodo iniziale altri rivelatori verranno messi in funzione.

La fisica di GERDA

Insieme ai fotoni, i neutrini sono le particelle più diffuse nell’Universo. Tuttavia sono particelle molto elusive, poiché interagiscono solo debolmente con la materia.
Alcuni modelli prevedono che i neutrini coincidano con la loro antiparticella. Se dimostrata, questa peculiare proprietà troverebbe alcune importanti modelli di fisica delle particelle elementari, amplierebbe le nostre conoscenze sulla struttura della materia.

L’esperimento GERDA vuole provare la veridicità di questi modelli cercando il rarissimo doppio decadimento beta senza emissione di neutrini; in esso, due neutroni del nucleo sono convertiti (decadono) in due protoni, due elettroni e due neutrini. I due neutrini emessi per? elidono a vicenda e quindi non emergono dal nucleo.
L’osservazione del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini fornirebbe una misura diretta della massa del neutrino elettronico, il cui valore ha grande impatto nei modelli di evoluzione dell’Universo, in particolare della formazione degli ammassi di galassie.