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Inauguration of Cuore: the cold giant detector that studies neutrinos

On October 23 2017 the CUORE experiment (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) has been inaugurated at the Italian National Institute for Nuclear Physics Gran Sasso National Laboratories in Italy. CUORE is one of the most promising efforts to determine whether neutrinos are “Majorana particles” – identical to their own antiparticles. CUORE could also help us home in on the masses hierarchy of the three types, or “flavors,” of neutrinos. Physics results, based on two months of data taking, recently submitted to the journal Physical Review Letters, set the most precise limits yet on where scientists might find a theorized process, known as neutrinoless double beta decay.
CUORE tellurite crystal (bolometers) array of 5x5x5cm each-bottom view/Vista dal basso della matrice di cristalli di tellurite (bolometri) di Cuore.

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DIFA & INFN Authors: G. Bari, M.M. Deninno, N. Moggi, S. Zucchelli

On October 23 2017 the CUORE experiment (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) (https://cuore.lngs.infn.it/en)   has been inaugurated at the Italian National Institute for Nuclear Physics (INFN) Gran Sasso National Laboratories   (LNGS)  (https://www.lngs.infn.it/en) in Italy . CUORE is one of the most promising efforts to determine whether tiny elementary particles called neutrinos, which interact only rarely with matter, are “Majorana particles” – identical to their own antiparticles. Most other particles are known to have antiparticles that have the same mass but a different charge.  CUORE could also help us home in on the masses hierarchy of the three types, or “flavors,” of neutrinos – neutrinos have the unusual ability to morph into different forms.

Physics results, based on two months of data taking, recently submitted to the journal Physical Review Letters,  set the most precise limits yet on where scientists might find a theorized process,  known as neutrinoless double beta  decay. If found such a process would imply a violationof the lepton number conservation,  a fundamental assumption of the Standard Model of particles and fields, and might also help explain why there is more matter than antimatter in the universe.

The detector array was designed and assembled over a 10-year period. It is shielded from many outside particles, such as cosmic rays that constantly bombard the Earth, by the 1,400 meters of rock above it, and by thick lead shielding that includes a radiation-depleted form of lead rescued from an ancient Roman shipwreck. Other detector materials were also prepared in ultrapure conditions, and the detectors were assembled in nitrogen-filled, sealed glove boxes to prevent contamination from regular air. Cooled by the most powerful refrigerator of its kind, the tanks subject the detector to the coldest known temperature recorded in a cubic meter volume in the entire universe: minus 459 degrees Fahrenheit (10 milliKelvin). Together weighing over 1,600 pounds, CUORE’s matrix of roughly fist-sized crystals is the heaviest cryogenic detector ever built.
CUORE collaboration  includes about 150 scientists from 25 institutions in Italy, U.S., China, France, and Spain.  In Italy from several INFN Divisions, INFN laboratories ( Laboratori  Nazionali di Frascati, LNGS, Laboratori Nazionali di  Legnaro) and from several Universities ( University of Bologna, University of Genoa, University of Milano-Bicocca, and Sapienza University ). (https://cuore.lngs.infn.it/en/collaboration)

The group of physicists, engineers  and technicians of the University and INFN of Bologna has actively  contributed to the building and commissioning of the detector. In addition the group of researchers has assumed the  responsibility of the storage of more than 1000 tellurium crystals produced in China in a controlled atmosphere in the  underground LNGS laboratories; of the realization of the monitoring system of the main physical apparatus and  supervision of data taking and analysis. Furthermore it is also in charge of the installation of a seismometers system  to  identify the environmental vibrational background noises.
Majorana’s neutrino  and the mystery of asymmetry between matter and antimatter .

In double beta decay, which has been observed in previous experiments, two neutrons in the atomic nucleus of a  radioactive element become two protons. Also, two electrons are emitted, along with two other particles called antineutrinos. But if, as suggested by the Italian physicist Ettore Majorana in the 1930s, neutrinos and anti-neutrinos were two manifestations of the same particle, such as the two sides of the same coin, the transition between matter and antimatter would became possible.  Neutrinoless double beta decay, meanwhile – the specific process that CUORE is designed to find or to rule out – would not produce any antineutrinos. This would mean that neutrinos are their own antiparticles. During this decay process the two generic-neutrino particles would effectively wipe each other out, leaving no trace in the CUORE detector. Neutrinoless double beta decay is expected to be exceedingly rare, occurring at most (if at all) once every 100 septillion (1 followed by 26 zeros) years in a given atom’s nucleus. The large volume of detector crystals is intended to greatly increase the likelihood of recording such an event during the lifetime of the experiment. Evidence for this type of decay process would also help scientists explain neutrinos’ role in the imbalance of matter vs. antimatter in our universe

Si inaugura CUORE: il gigante freddo che studia neutrini

Il 23 Ottobre 2017 è stato inaugurato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN l’esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events),  concepito per studiare le proprietà dei neutrini. Nei primi due mesi di presa dati, l’esperimento è già riuscito a restringere significativamente la regione in cui cercare il rarissimo fenomeno del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, suo principale obiettivo scientifico. Rivelare questo processo consentirebbe non solo di determinare la massa dei neutrini, ma anche di dimostrare la loro eventuale natura di particelle di Majorana, fornendo una possibile spiegazione alla prevalenza della materia sull’antimateria nell’universo.  I risultati ottenuti  saranno a breve pubblicati sulla rivista  Physical Review Letters.

Il 23 Ottobre 2017 è stato inaugurato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN (https://www.lngs.infn.it/en) l’esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events),  concepito per studiare le proprietà dei neutrini. (https://cuore.lngs.infn.it/en) .  Nei primi due mesi di presa dati, l’esperimento è già riuscito a restringere significativamente la regione in cui cercare il rarissimo fenomeno del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, suo principale obiettivo scientifico. Rivelare questo processo consentirebbe non solo di determinare la massa dei neutrini, ma anche di dimostrare la loro eventuale natura di particelle di Majorana, fornendo una possibile spiegazione alla prevalenza della materia sull’antimateria nell’universo.  I risultati ottenuti  saranno a breve pubblicati sulla rivista  Physical Review Letters.

CUORE è il più grande rivelatore criogenico mai costruito, un gigante di 741 chili realizzato con una tecnologia basata su cristalli cubici di tellurite progettati per funzionare a temperature bassissime: 10 millesimi di grado sopra lo zero assoluto. La sua struttura è formata da 19 torri costituite ciascuna da una matrice di 52 cristalli purificati da qualunque altro tipo di materiale. Il tutto è sospeso all'interno del più freddo dei 6 gusci di rame che costituiscono il criostato, la più ardita sfida tecnologica. L’esperimento lavora in condizioni ambientali di estrema purezza, in particolare di bassissima radioattività, grazie anche ad uno speciale scudo protettivo realizzato dalla fusione di lingotti di piombo recuperati da una nave romana affondata oltre 2000 anni fa.

L’esperimento è una collaborazione internazionale formata da oltre 150 scienziati provenienti da venticinque istituzioni prevalentemente italiane e americane .

Per l’Italia partecipa l’INFN con le sezioni di Bologna, Genova, Milano Bicocca, Padova e Roma oltre ai Laboratori Nazionali di Frascati, Gran Sasso e Legnaro. A queste si aggiungono le Università di Bologna, Genova, Milano Bicocca e Roma La Sapienza. (https://cuore.lngs.infn.it/en/collaboration )    Il gruppo di fisici, tecnici e tecnologi dell’Università ed INFN di Bologna ha contribuito attivamente alla costruzione e al commissioning del rivelatore, assumendo tra le altre cose la responsabilità dello stoccaggio in atmosfera controllata presso i laboratori dell’ LNGS degli oltre 1000 cristali di tellurite prodotti in Cina,  della realizzazione del sistema di monitoraggio  dei principali apparati fisici e  supervisione dei processi di raccolta ed elaborazione dati,  e dell’installazione di un sistema di sismometri per l’ identificazione dei rumori vibrazionali  ambientali.

Il neutrino di Majorana e il mistero dell’asimmetria tra materia e antimateria

Nella sua accezione più comune, il doppio decadimento beta è un processo nel quale, all’interno di un nucleo, due neutroni si trasformano in due protoni, emettendo due elettroni e due anti-neutrini. Nel doppio decadimento beta senza emissione di neutrini non vi è invece emissione di neutrini grazie al fatto che uno degli antineutrini si è trasformato, all’interno del nucleo, in neutrino. Il Modello Standard delle interazioni fondamentali prevede che i neutrini non possano subire questa trasformazione.  Ma se, come ipotizzato negli anni ’30 dal fisico italiano Ettore Majorana, i neutrini e gli antineutrini fossero due manifestazioni della stessa particella, come le due facce di una stessa moneta, la transizione tra materia e antimateria risulterebbe possibile. Questo fenomeno, seppur estremamente raro, potrebbe esser stato frequente nell’universo primordiale, immediatamente dopo il Big Bang e aver determinato la prevalenza della materia sull’antimateria.