Dov’è il metro cubo più freddo dell’Universo? Non troppo lontano, anzi proprio in Italia, più precisamente nell’Appennino Abruzzese, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Lì si trova la base operativa di CUORE, una collaborazione internazionale di circa 130 scienziati. L’acronimo sta per Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (osservatorio criogenico sotterraneo per eventi rari). L’obiettivo dell’esperimento è misurare alcune proprietà dei neutrini. A questo scopo, nell’ottobre del 2014, un recipiente di rame di circa un metro cubo di volume e 400 kg di massa è stato portato a 6 millesimi di gradi Kelvin (ricordiamo che lo zero della scala Kelvin si trova alla temperatura di -273.15 °C), ed è stato mantenuto a queste temperature per circa 15 giorni. Si tratta della temperatura più bassa mai raggiunta stabilmente da un corpo di queste dimensioni e di massa simile.

È ovviamente impossibile dimostrare con certezza che in tutto l’Universo non esistano oggetti anche più grandi a temperature più basse di queste. Chi può escludere l’esistenza di una civiltà aliena con tecnologie criogeniche più avanzate delle nostre? Possiamo però rifarci a ciò che sappiamo dell’Universo conosciuto: esso è ovunque pervaso dalla radiazione cosmica di fondo, un’eco residua del Big Bang, che si trova a una temperatura di circa 2.73 K.  Mentre diverse zone sono riscaldate da processi come formazione di strutture, supernovae, evoluzione stellare e via dicendo, l’unico posto noto in natura che si trovi a temperature più basse è la nebulosa Boomerang, una nube di idrogeno molecolare che scherma la radiazione cosmica di fondo mantenendo una temperatura di circa 1K al suo interno.

Nei laboratori terrestri, temperature inferiori a queste sono raggiunte quasi di routine. Si pensi, per esempio, ad alcuni esperimenti per la ricerca della materia oscura, come CRESST-II, sempre al Gran Sasso, che ha portato una massa di 10 kg di tungstato di calcio a 15 millesimi di kelvin, oppure il rilevatore di Auriga/Nautilus, specializzato nella caccia alle onde gravitazionali, in cui 2200 kg di alluminio, per un volume di 848 litri, raggiungono le temperature di 0.1 K. Il record assoluto appartiene al Lounasmaa Laboratory in Finlandia, che ha raffreddato un elemento in rodio a 0,1 miliardesimi di Kelvin. CUORE, però, ha battuto i record precedenti in quanto nessuno aveva portato a temperature così basse una massa e un volume contiguo così grandi.

Dopo il test, CUORE avrà l’obiettivo di mantenere 741 kg di ossido di tellurio (TeO2), corrispondenti a un volume di 636 litri, a una temperatura di 10 millesimi di kelvin, e mantenerla stabilmente per un tempo di 5-10 anni, necessari per ottenere i dati desiderati sui neutrini. Nella sua forma finale, la struttura dell’apparato sarà una “matrioska” fatta da 5 stadi, ciascuno più freddo del precedente. Ogni stadio è connesso a un’unità di raffreddamento e ha uno schermo anti-irraggiamento che isola il volume racchiuso dall’ambiente circostante. Le specifiche degli esperimenti, che hanno a che fare con energie molto deboli emesse in eventi estremamente rari, prevedono non solo l’isolamento termico, ma anche la minimizzazione delle radiazioni e delle vibrazioni, che creerebbero rumore di fondo e fluttuazioni di temperatura. Per attenuare le radiazioni è stata costruita una schermatura spessa 30 cm, fatta di piombo recuperato da un relitto antico di età romana (i materiali antichi sono meno radioattivi). Il criostato utilizza una tecnologia avanzata che permette di refrigerare senza utilizzare parti meccaniche mobili, anche questo per evitare vibrazioni, e fa uso di una miscela di due tipi di elio (elio-3 ed elio-4) gassosi, evitando così l’impiego di elio liquido considerato una risorsa non rinnovabile.

Qual è dunque lo scopo di tanto sforzo criogenico? CUORE sta di fatto cercando di mettere in discussione la fisica delle particelle così come viene attualmente concepita. Si cercherà una ipotetica, rarissima forma di decadimento radioattivo, chiamato decadimento doppio beta senza neutrini, per il quale il tellurio sembra il miglior candidato, e che potrebbe svelarci perché le masse dei neutrini sono così piccole rispetto a quelle delle altre particelle elementari – tanto che non siamo ancora riusciti a misurarle. Si pensa che i neutrini formino una classe di particelle particolari, dette“particelle di Majorana”, ciascuna uguale alla propria antiparticella, cioè al proprio equivalente in antimateria, e che acquisiscano la propria minuscola massa tramite un meccanismo diverso da quelli previsti nel modello standard.

Nel normale decadimento doppio beta, un neutrone si trasforma diventando un protone ed emettendo un elettrone e un antineutrino (l’antiparticella del neutrino). Ogni particella, incontrando la propria antiparticella, si disintegra emettendo energia; nel caso due decadimenti beta avvengano contemporaneamente nello stesso nucleo atomico (per esempio quello del tellurio) i due antineutrini (che se fossero particelle di Majorana sarebbero allo stesso tempo anche neutrini) potrebbero disintegrarsi reciprocamente prima di essere emessi. In tal modo, il doppio decadimento beta avverrebbe senza l’emissione di alcun neutrino: questo è proprio il processo che si sta cercando.

Illustrazione del decadimento doppio beta normale (a sinistra) e del decadimento doppio beta senza neutrini (a destra). Immagine da www.weltderphysik.de.

Dalle fluttuazioni della temperatura, i rivelatori riescono a risalire all’energia cinetica degli elettroni emessi: se è superiore a quella di un decadimento beta normale, allora significa che gli elettroni hanno assorbito tutta l’energia del decadimento e che quindi i neutrini non sono stati emessi. È possibile, inoltre, risalire alla massa dei neutrini che avrebbero dovuto essere emessi. Infine, l’esistenza del decadimento potrebbe, per motivi che hanno a che fare con le leggi di conservazione, fornire una possibile spiegazione dell’asimmetria tra materia e antimateria dell’Universo.

Si tratta insomma di un esperimento che va a frugare nei fondamenti stessi della fisica, dai costituenti ultimi della materia all’origine dell’Universo come lo conosciamo. CUORE ha inoltre posto le basi per ulteriori esperimenti in cui un apparato sperimentale ancora più sensibile ci permetterà di “ascoltare” con maggior attenzione la fenomenologia dei neutrini.