Cuore

CUORE è l’acronimo di Cryogenic Undreground Observatory for Rare Events, Osservatorio Criogenico Sotterraneo per la Fisica degli Eventi Rari. Il suo scopo principale è, infatti, la ricerca del decadimento beta doppio senza emissione di neutrini, ma CUORE cercherà anche tracce di materia oscura e studierà alcuni decadimenti rari.

L’esperimento è oggi in una delle ultime fasi della costruzione. Una volta ultimato, CUORE sarà il rivelatore bolometrico più grande mai costruito. Bolometrico vuol dire che lavorerà a temperature criogeniche: gli oltre 740 chilogrammi di cristalli, più altre 4 tonnellate tra parti in rame e schermi in piombo, saranno raffreddati a 10 milliKelvin, 10 millesimi di grado sopra lo zero assoluto! Queste temperature estreme vengono raggiunte grazie alla potente combinazione tra refrigeratori meccanici e un refrigeratore a diluzione di elio in doppia fase, il tutto alloggiato dentro un enorme criostato.

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La collocazione all’interno della Sala A dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso garantisce la protezione dai raggi cosmici, i quali accecherebbero il rivelatore se questo fosse costruito in un normale laboratorio, coprendo il segnale cercato con un enorme fondo. Il rivelatore è anche protetto dalla radioattività ambientale grazie a due schermature in piombo poste all’interno del criostato; di queste, una è costituita da piombo romano antico recuperato da un relitto grazie alla collaborazione tra fisici e archeologi. Lo stesso criostato verrà poi posto all’interno di una grossa schermatura formata da oltre 80 tonnellate di piombo e da uno strato di polietilene borato.

Il funzionamento di questo tipo di esperimento è stato provato dai predecessori di CUORE, anch’essi costruiti e fatti funzionare nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso. In particolare, Cuoricino e CUORE-0 hanno fornito alcuni tra i migliori risultati al mondo nel campo della fisica nucleare e delle particelle.

I cristalli

Il cuore dell’esperimento è costituito da 988 cristalli di ossido di tellurio, disposti in 19 torri. I cristalli contengono 130-Te (tellurio 130), un particolare isotopo che ci si aspetta possa mostrare traccia del ricercato decadimento beta doppio senza emissione di neutrini: i cristalli fungono perciò sia da sorgente del segnale che da rivelatore. D’altra parte, questo implica anche che loro stessi e il materiale con cui sono in contatto, il rame e il PTFE che costituiscono l’ossatura delle torri per primi, devono essere radio-puri. Una procedura precisa e rigorosa è stata perciò applicata in tutte le fasi di costruzione del rivelatore, dalla pulizia dei materiali fino all’assemblaggio delle torri, riducendo al minimo l’esposizione all’aria e il contatto con altre possibili sorgenti di radiazione. Per intenderci, il semplice toccare i cristalli a mani nude li avrebbe resi inutilizzabili esponendoli alla radioattività naturale del nostro corpo. Un’interazione o un decadimento all’interno di un cristallo comporta un rilascio di energia, il quale si traduce in un piccolissimo aumento della temperatura del cristallo stesso e questo è il motivo per cui è necessario che tutto lavori a temperature criogeniche: in condizioni normali non saremmo in grado di vedere questa variazione, perché troppo piccola. Un piccolo sensore di temperatura è stato perciò incollato su ciascun cristallo; una procedura quasi completamente automatizzata ha permesso di rendere minime le differenze nella risposta tra i vari cristalli nella conversione tra energia e aumento della temperatura.

Il criostato

Il criostato di CUORE è il più grande mai costruito: esso si compone di un sistema di schermi cilindrici concentrici, ognuno dei quali raffreddato a temperature sempre più basse andando dall’esterno verso l’interno. In particolare si passa da temperatura ambiente a meno di 10 milliKelvin nel guscio più interno: il volume occupato dal rivelatore si trova esattamente nel centro e, quando il sistema è in funzione, costituisce a tutti gli effetti il metro cubo più freddo dell’Universo.

I vari schermi sono sigillati ad una serie di piatti, i quali reggono il peso della struttura (in totale, più di 15 tonnellate). I piatti più esterni sono attraversati dai Pulse Tube costituenti il sistema di raffreddamento meccanico e tutti sono attraversati dall’unità a diluizione per il raffreddamento più estremo. Quest’ultima è costituita da un sistema chiuso al cui interno circola una miscela particolare di elio (miscela di 3-He/4-He). Questa miscela ha la proprietà di separarsi in due fasi con densità diverse quando la temperatura è abbastanza bassa; attraverso un sistema di pompaggio è quindi possibile raffreddare facendo passare 3-He dalla fase più densa a quella più diluita, pompando su quest’ultima. Un processo simile viene usato nella vita di tutti i giorni: quando soffiamo su di una tazza di the infatti, asportiamo vapore permettendo ad altro the di evaporare a sua volta con conseguente raffreddamento.

Il piombo romano

All’interno del criostato si trovano anche due schermature in piombo che proteggono il rivelatore dalla radioattività ambientale. La più esterna delle due forma una specie di bicchiere intorno al rivelatore e contiene piombo archeologico romano. Il piombo, infatti, è in parte costituito da 210-Pb (piombo 210), un isotopo radioattivo figlio della catena di decadimento dell’uranio (238-U), che decade con un tempo di dimezzamento di 22 anni (questo significa che dopo tale periodo la quantità iniziale di 210-Pb si è dimezzata). Qualunque campione estratto negli ultimi decenni presenta quindi tracce di 210-Pb derivanti dall’uranio presente nella roccia. Durante la lavorazione del materiale, i Romani separavano l’argento dal piombo e, così facendo, asportavano anche gran parte dell’uranio, impedendo che questo rigenerasse 210-Pb.

Il piombo utilizzato in CUORE proviene da un relitto affondato nel I secolo a.C. vicino ad Oristano, in Sardegna. Quasi un migliaio di lingotti da oltre 30 chili l’uno furono recuperati, insieme ad altri reperti, in uno sforzo congiunto tra fisici e archeologi all’inizio degli anni novanta. Di questi lingotti, per circa duecentosettanta venne autorizzato la fusione per l’utilizzo per esperimenti di fisica. La parte superiore di questi lingotti, recante il marchio degli antichi proprietari, venne però prima asportata e consegnata per l’esposizione nel Museo Archeologico Nazionale di Cagliari, insieme al resto dei reperti.

Dettagli Collaborazione

Carlo Bucci (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso)

C.Alduino^1, K.Alfonso², D.R.Artusa^1,3, F.T.Avignone III^1, O.Azzolini⁴, M.Balata³, T.I.Banks^5,6,3, G.Bari⁷, J.W.Beeman⁸, F.Bellini^9,10, A.Bersani¹¹, D.Biare⁶, M.Biassoni ^12,13, C.Brofferio ^12,13, A.Buccheri ¹⁰, C.Bucci ³, C.Bulfon¹⁰, A.Camacho⁴, A.Caminata¹¹, L.Canonica³, X.G.Cao¹⁴, S.Capelli^12,13, M.Capodiferro¹⁰, L.Cappelli ^3,15, L.Carbone¹³, L.Cardani^9,10, M.Cariello¹¹, N.Casali^3,16, L.Cassina^12,13, R.Cereseto¹¹, G.Ceruti¹³, A.Chiarini⁷, D.Chiesa^12,13, N.Chott¹, M.Clemenza^12,13, S.Copello¹⁷, C.Cosmelli^9,10, O.Cremonesi^13,♛, C.Crescentini⁷, R.J.Creswick ¹, J.S.Cushman¹⁸, I.Dafinei¹⁰, A.Dally¹⁹, C.J.Davis¹⁸, F.Del Corso⁷, S.Dell’Oro^3,20, M.M.Deninno⁷, S.Di Domizio^17,11, M.L.di Vacri^3,16, L.DiPaolo⁶, A.Drobizhev^5,6, L.Ejzak¹⁹, G.Erme^3,15, D.Q.Fang¹⁴, M.Faverzani^12,13, J.Feintzeig⁶, G.Fernandes^17,11, E.Ferri^12,13, F.Ferroni^9,10, S.Finelli⁷, E.Fiorini^13,12, M.A.Franceschi²¹, S.J.Freedman^6,5,±, B.K.Fujikawa⁶, R.Gaigher¹³, A.Giachero^12,13, L.Gironi^12,13, A.Giuliani²², L.Gladstone²³, P.Gorla³, C.Gotti^12,13, M.Guerzoni⁷, M.Guetti³, T.D.Gutierrez²⁴, E.E.Haller^8,25, K.Han^18,6, E.Hansen^23,2, K.M.Heeger¹⁸, R.Hennings-Yeomans^5,6, K.P.Hickerson², H.Z.Huang², M.Iannone¹⁰, L.Ioannucci³, R.Kadel²⁶, G.Keppel⁴, Yu.G.Kolomensky^5,26, A.Leder²³, C.Ligi²¹, K.E.Lim¹⁸, X.Liu², Y.G.Ma¹⁴, M.Maino^12,13, L.Marini^17,¹¹, M.Martinez²⁷, R.H.Maruyama¹⁸, R.Mazza¹³, Y.Mei⁶, R.Michinelli⁷, N.Moggi^28,7, S.Morganti¹⁰, P.J.Mosteiro¹⁰ T.Napolitano²¹, M.Nastasi^12,13, S.Nisi³, C.Nones²⁹, E.B.Norman^30,31, A.Nucciotti^12,13, T.O’Donnell^5,6, F.Orio¹⁰, D.Orlandi³, J.L.Ouellet^5,6, C.E.Pagliarone^3,15, M.Pallavicini^17,11, V.Palmieri⁴, G.Pancaldi⁷, L.Pattavina³, M.Pavan^12,13, R.Pedrota³², A.Pelosi¹⁰, M.Perego¹³, G.Pessina¹³, V.Pettinacci¹⁰, G.Piperno^9,10, C.Pira⁴, S.Pirro³, S.Pozzi^12,13, E.Previtali¹³, C.Rosenfeld¹, C.Rusconi¹³, E.Sala^12,13, S.Sangiorgio³⁰, D.Santone^3,16, N.D.Scielzo³⁰, V.Singh⁵, M.Sisti^12,13, A.R.Smith⁶, F.Stivanello⁴, L.Taffarello³², L.Tatananni,³ M.Tenconi²², F.Terranova^12,13, M.Tessaro³², C.Tomei¹⁰, S.Trentalange², G.Ventura^33,34, M.Vignati¹⁰, S.L.Wagaarachchi^5,6, J.Wallig³⁵, B.S.Wang^30,31, H.W.Wang¹⁴, L.Wielgus¹⁹, J.Wilson¹, L.A.Winslow²³, T.Wise^18,19, A.Woodcraft³⁶, L.Zanotti^12,13, C.Zarra³, G.Q.Zhang¹⁴, B.X.Zhu², S.Zimmermann³⁵, S.Zucchelli^37,7.

1 Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, SC 29208 – USA
2 Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, CA 90095 – USA
3 INFN – Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L’Aquila) I-67010 – Italy
4 INFN – Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020 – Italy
5 Department of Physics, University of California, Berkeley, CA 94720 – USA
6 Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 – USA
7 INFN – Sezione di Bologna, Bologna I-40127 – Italy
8 Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 – USA
9 Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185 – Italy
10 INFN – Sezione di Roma, Roma I-00185 – Italy
11 INFN – Sezione di Genova, Genova I-16146 – Italy
12 Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126 – Italy
13 INFN – Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126 – Italy
14 Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800 – China
15 Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, Cassino I-03043 – Italy
16 Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche, Università dell’Aquila, L’Aquila I-67100 – Italy
17 Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146 – Italy
18 Department of Physics, Yale University, New Haven, CT 06520 – USA
19 Department of Physics, University of Wisconsin, Madison, WI 53706 – USA
20 INFN – Gran Sasso Science Institute, L’Aquila I-67100 – Italy
21 INFN – Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati (Roma) I-00044 – Italy
22 Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse, 91405 Orsay Campus – France
23 Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139 – USA
24 Physics Department, California Polytechnic State University, San Luis Obispo, CA 93407 – USA
25 Department of Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley, CA 94720 – USA
26 Physics Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 – USA
27 Laboratorio de Fisica Nuclear y Astroparticulas, Universidad de Zaragoza, Zaragoza 50009 – Spain
28 Dipartimento di Scienze per la Qualità della Vita, Alma Mater Studiorum – Università di Bologna, Bologna I-47921 – Italy
29 Service de Physique des Particules, CEA / Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette – France
30 Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA 94550 – USA
31 Department of Nuclear Engineering, University of California, Berkeley, CA 94720 – USA
32 INFN – Sezione di Padova, Padova I-35131 – Italy
33 Dipartimento di Fisica, Università di Firenze, Firenze I-50125 – Italy
34 INFN – Sezione di Firenze, Firenze I-50125 – Italy
35 Engineering Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 – USA
36 SUPA, Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Blackford Hill, Edinburgh EH9 3HJ – UK
37 Dipartimento di Fisica e Astronomia, Alma Mater Studiorum – Università di Bologna, Bologna I-40127 – Italy
± Deceduto
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