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La Ricerca del Decadimento Doppio Beta

La storia del Modello Standard delle Particelle Elementari - e in particolare del neutrino - è una storia lunga e complessa. Stiamo parlando di una delle prime particelle elementari conosciute, ipotizzata da Wolfgang Pauli fin dal 1930.

Il neutrino interagisce solamente tramite le Interazioni Deboli (e la gravità) ed è proprio per questo motivo che la sua rivelazione è stata tanto difficile; si è dovuto attendere il 1956 per la conferma sperimentale della sua esistenza, con l'esperimento di Reines e Cowan al reattore di Savannah.
E tutto questo pur ricordando che la teoria delle Interazioni Deboli, iniziata con il classico lavoro di Fermi del 1934, era in fase di costruzione. Proprio negli anni '50 stava diventando chiara un'altra proprietà mirabolante di queste interazioni: la violazione della Parità.
La debolezza delle interazioni del neutrino ha costituito un significativo ostacolo sulla strada della comprensione delle sue proprietà. La massa del neutrino - ad esempio - è stata scoperta solo negli anni '90 del secolo scorso.
E a tutt'oggi quello che noi sappiamo di neutrino e antineutrino è la presenza di due stati di elicità opposta. Nell'interpretazione comunemente accettata, diciamo che il neutrino è sinistrorso e l'antineutrino è destrorso. In realtà si tratta semplicemente dell'ipotesi più accreditata, la versione più diffusa del neutrino,che è quella di Dirac. Il "neutrino di Dirac" è una particella sinistrorsa, con un'antiparticella destrorsa. Mentre gli stati di chiralità "sbagliata" ( come neutrino destrorso e antineutrino sinistrorso) non prendono parte alle Interazioni Deboli.
Esiste tuttavia un'altra possibilità, e cioè che il neutrino sia una particella "di Majorana". Secondo questa ipotesi, non vi sono due particelle distinte, il neutrino e l'antineutrino, ma una particella sola che coincide con la sua antiparticella. Questo neutrino di Majorana avrebbe due stati, uno destrorso e uno sinistrorso, che sono appunto i due stati,entrambi attivi nelle Interazioni Deboli), che si osservano sperimentalmente.

Ma come distinguere tra le due possibilità, ovvero fra neutrino di Dirac e Neutrino di Majorana?

La chiave di tutto sta nello studio di un processo chiamato Decadimento Doppio Beta senza Neutrini. Se tale decadimento è possibile, significa che il neutrino è una particella di Majorana. Un segnale sperimentale inequivocabile.
Ma le difficoltà di osservazione del Decadimento Doppio beta senza Neutrini sono enormi. Innanzitutto tale decadimento non va confuso con il più "ordinario" Decadimento Doppio Beta, con due neutrini emessi, che è un normale decadimento debole al second’ordine. In secondo luogo, quando si parla di processi la cui vita media è dell'ordine di 1025 anni, vale a dire quindici ordini di grandezza maggiore dell'età dell'Universo), ci si deve confrontare con tutti i fondi radioattivi e cosmici immaginabili.
Nel Decadimento Doppio Beta senza Neutrini, possiamo pensare che i due neutrini, che verrebbero emessi, si annichilino tra di loro per dare luogo a uno stato finale, nel quale un nucleo (pari-pari) si trasforma emettendo due elettroni e basta.Un processo che è possibile solo se il neutrino è di Majorana, e non di Dirac.
Non sorprende quindi che la ricerca sul "Neutrinoless Double Beta Decay" sia uno degli argomenti di interesse della fisica astro particellare. L'eventuale osservazione di questo processo costituirebbe indubbiamente una pietra miliare fondamentale nella comprensione del neutrino e del Modello Standard delle Particelle Elementari. Se infatti tale processo fosse possibile, il neutrino sarebbe certamente una particella di Majorana e il numero leptonico totale sarebbe violato!
Un altro aspetto da sottolineare è che il Decadimento Doppio Beta senza neutrini è sensibile alla massa assoluta del neutrino. In questo senso, esso presenta un vantaggio rispetto agli esperimenti di oscillazione, nei quali contano solo le differenze tra gli autostati di massa.
Si tratta di una ricerca che ha una storia lunga e nella quale sono state utilizzate grandi masse di nuclei pari-pari, in situazioni di fondo particolarmente basso. Per dare una idea dello sforzo messo in campo, vale la pena evidenziare che per ben tredici nuclidi è già stato osservato il Doppio Beta con neutrini, e in un caso si è trattato anche del Doppio Beta positivo. In questi esperimenti,si è quindi arrivati a misurare processi rarissimi, aventi vite medie dai 1019 ai 1025 anni. E nonostante tutti questi sforzi, finora non si è avuta alcuna evidenza sperimentale del Decadimento Doppio Beta senza neutrini, nei dieci nuclidi migliori candidati.
Solo un esperimento,del gruppo di Heidelberg-Moscow,eseguito ai Laboratori del Gran Sasso, aveva pubblicato nel 2001 una possibile evidenza positiva, utilizzando il Ge-76 come nuclide. E all'interno della stessa collaborazione, vi furono diversi punti di vista a riguardo della pubblicazione di questo risultato.

Oltre dieci anni sono passati e ora i nuovi risultati che vengono da altri esperimenti, in particolare da GERDA (sempre al Gran Sasso e con lo stesso nuclide,il Ge-76) non confermano il segnale osservato in passato.
Nonostante questo, la ricerca sul Doppio Beta senza neutrini è in corso sempre più frenetica. Nuovi, più massivi e più sensibili rivelatori stanno per essere costruiti, con una sensitività proiettata alla massa assoluta del neutrino che ormai arriva a 50 meV. Tra questi esperimenti citiamo, a titolo di esempio e senza pretesa di completezza, GERDA, CUORE (basato sul Te-130), Kamland-ZEN ed EXO(basati sullo Xe-136).
GERDA e CUORE sono entrambi situati ai Laboratori del Gran Sasso. GERDA è un esperimento con una importante componente italiana, guidata da Carla Cattadori dell'Infn di Milano Bicocca. Mentre CUORE è un esperimento a grande maggioranza italiano, fondato da Ettore Fiorini e guidato da Oliviero Cremonesi dell'Infn di Milano Bicocca.

Marco Giammarchi

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10 settembre 2013
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