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New limits on neutrinoless double beta decay

The measurements performed in the first year on a tower of the CUORE experiment, in the INFN Laboratories of Gran Sasso, made it possible to reduce the upper limit on the probability of the 130Te decay with production of two electrons and the absence of neutrinos.

UNIBO Authors: S. Zucchelli, N. Moggi, M. Deninno

Article: Search for Neutrinoless Double-Beta decay of 130Te with Cuore-0, PRL 115, 102502 (2015)

Doi: 10.1103/PhysRevLett.115.102502

Web: Cuore, Cuore-Bologna

The Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE, italian word for “heart”) is an experiment, currently in the final stages of construction at the INFN Gran Sasso National Laboratories, designed for the observation of the double beta decay without neutrinos (0nbb) of tellurium, a suggested process in theory, but never observed conclusively. The 0nbb decay is the emission by a 130Te nucleus of  two electrons not accompanied by the simultaneous emission of two neutrinos. The existence of this decay mode would prove incontrovertibly that the leptonic number conservation is not a fundamental symmetry of nature as assumed in the Standard Model, the theory that currently best describes the dynamics of elementary particles and which has found its most significant confirmation with the recent discovery of the Higgs boson. The observation of the 0nbb decay would clarify the nature of neutrinos (Dirac or Majorana), would place stringent limits on their still unknown mass and would provide support to the cosmological theories that explain the origins of the asymmetry between source matter and antimatter observed in the universe with the neutrinos interactions. The CUORE apparatus consists of a tellurium oxide crystal matrix operating at temperatures close to absolute zero (ten thousandths of kelvin), which constitute simultaneously the source and detector of the decay process searched for. With its 998 crystals and thanks to a sophisticated cryogenic apparatus, CUORE represents the state of massive, high energy resolution and low background noise cryogenic detectors. A single CUORE tower was set up in 2013 (CUORE-0) to check the feasibility of the measurement. Already after one year of data taking, CUORE-0 has allowed to obtain physical results competitive with those of the previous experiments. The measurement, lower limit 0nbb-life of decay of 130Te> 2.7 1024 years at 90% confidence level, exceeds the sensitivity of any other research carried out to date in the field.

Nuovi limiti al doppio decadimento beta senza neutrini

Le misure realizzate nel primo anno con una torre dell’esperimento CUORE, presso i laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, hanno permesso di abbassare il limite attuale sulla probabilità di decadimento del 130Te con produzione di due elettroni e assenza di neutrini.

Il Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE)  è un esperimento, attualmente  in fase finale di  allestimento ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN,  progettato per l’osservazione  del  doppio decadimento beta senza neutrini  (0nbb) del tellurio,  un  processo ipotizzato in teoria, ma mai osservato in maniera conclusiva nelle numerose ricerche  effettuate fino ad oggi.  Il decadimento 0nbb consiste nell’emissione da parte di un nucleo atomico di 130Te di due elettroni  non accompagnato dalla simultanea emissione di due neutrini. L’esistenza di tale modalità di decadimento proverebbe in maniera incontrovertibile che la conservazione del numero dei leptoni non è una simmetria fondamentale della natura come invece ipotizzato nel Modello Standard, la teoria che attualmente meglio descrive la dinamica delle particelle elementari e che ha trovato la sua più significativa conferma con la recente scoperta del bosone di Higgs. L’osservazione del decadimento 0nbb farebbe luce sulla  natura dei neutrini (di Dirac o di Majorana),  porrebbe limiti stringenti sulla loro massa tuttora sconosciuta e fornirebbe supporto alle teorie cosmologiche che fanno risalire ai neutrini stessi l’origine dell’asimmetria tra materia  e antimateria  riscontrata nell’universo. L’apparato di CUORE è costituito da una matrice di cristalli di ossido di tellurio operanti a temperature vicine allo zero assoluto (dieci millesimi di kelvin), che costituiscono simultaneamente sorgente e rivelatore del processo di decadimento in esame.  Con i suoi 998 cristalli e grazie ad un sofisticato apparato criogenico, CUORE costituisce lo stato dell’arte dei rivelatori criogenici di grande massa, alta risoluzione energetica e bassissimo rumore di fondo. Una singola torre di CUORE è stata messa a punto nel 2013 (CUORE-0) per verificare la fattibilità dell’esperimento stesso.  Già dopo un anno di presa dati, CUORE-0 ha permesso di ottenere risultati di fisica competitivi con quelli dei precedenti esperimenti. Il risultato, limite inferiore dell’emivita del  decadimento 0nbb del 130Te    >  2.7 1024 anni al 90% di livello di confidenza, supera la sensitività di ogni altra ricerca fino ad oggi effettuata nel settore.