Refrigeratore

Per osservare il doppio decadimento beta servono condizioni di freddo estremo che consentono di misurare piccole variazioni di temperatura.

Nella ricerca di eventi rari, come il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, si sfrutta il fatto che un piccolo rilascio di energia all’interno di un cristallo provoca una variazione di temperatura. Questa è misurabile solo se l’apparato sperimentale è mantenuto a temperature bassissime. Realizzando un sistema di raffreddamento a gusci concentrici via via sempre più freddi, nei LNGS è stato creato il metro cubo più freddo dell’Universo.

Perché il freddo?

Ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN si svolgono alcuni esperimenti che hanno l’obiettivo di misurare un particolare decadimento radioattivo – una trasformazione di un nucleo atomico – mai osservato. Per farlo, uno di questi esperimenti, chiamato CUORE, si prefigge di misurare l’aumento di temperatura che avviene all’interno di un cristallo a causa del piccolo rilascio di energia che accompagna il decadimento cercato. Questa variazione di temperatura è infinitamente piccola, dell’ordine di decimi di millikelvin (1 mK è la millesima parte delle tacche più piccole di un normale termometro), e non può essere rilevata alle temperature a cui siamo normalmente abituati perché l’agitazione termica la maschererebbe. In effetti, la temperatura è una misura dello stato di agitazione medio delle particelle che compongono un corpo: più è alta, più all’interno di un determinato volume può fluttuare da punto a punto. A temperature prossime allo zero assoluto (-273,16 °C) l’agitazione delle particelle è minima, e così lo sono anche le fluttuazioni di temperatura. Per questo in esperimenti come CUORE si ha la necessità di raffreddare il rivelatore a temperature bassissime, anche dette criogeniche. Non a caso, CUORE sta per Cryogenic Underground Observatory for Rare Events – Osservatorio criogenico sotterraneo per eventi rari.

Il sistema di refrigerazione di CUORE

Un apparato che mantiene al suo interno una temperatura costante molto bassa è chiamato criostato; quello che alloggia il rivelatore di CUORE è nel suo genere il più grande e potente che sia mai stato costruito. È composto da un sistema di schermi cilindrici concentrici raffreddati a temperature via via più basse andando dallo schermo più esterno a quello più interno (Fig.1). Il sistema di raffreddamento prevede due stadi. Il primo serve per portare gli strati più esterni alla temperatura di qualche grado sopra lo zero assoluto. È un apparato meccanico chiamato Pulse Tube, un sistema di tubi e valvole che abbassa la temperatura di un gas attraverso cicli ripetitivi di compressione e dilatazione. Il secondo stadio è quello che permette di mantenere temperature dell’ordine di 10 mK nel volume più interno. È un cosiddetto refrigeratore a diluizione di elio a doppia fase, che sfrutta le peculiari caratteristiche di una miscela di due isotopi dell’elio: elio-3 e elio-4. Al di sotto di una certa temperatura, questa miscela subisce una separazione spontanea in due fasi, una ricca di elio-3, detta fase concentrata, e una costituita quasi completamente da elio-4, chiamata fase diluita. Poiché tra i due isotopi l’elio-3 è il più leggero, la fase concentrata galleggia al di sopra di quella diluita. Attraverso un sistema di pompaggio, l’elio-3 della fase concentrata viene “aspirato”, attraversando la superficie di separazione tra le due fasi. Questo passaggio è il punto fondamentale poiché è un processo endotermico, ossia che assorbe calore dall’ambiente, permettendone il raffreddamento. Con questo sistema, CUORE ha stabilito un notevole record: il volume più interno del suo criostato è a tutti gli effetti il metro cubo più freddo dell’Universo.

Fig.1 Spaccato del criostato dell'esperimento CUORE. La struttura a gusci cilindrici concentrici permette di raffreddare dall'esterno verso l'interno a temperature sempre più basse (a sinistra nella figura, da 300K a 10mK). A destra sono indicate le schermature di piombo che servono ad assorbire radiazioni che comprometterebbero le misure all'interno del rivelatore, posto al centro. Dall'alto verso il basso: schermo di piombo superiore; schermo di piombo laterale; torri del rivelatore; schermo di piombo inferiore.

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