Sviluppo e caratterizzazione di bolometri scintillanti per lo studio del decadimento doppio beta

Questo lavoro di tesi specialistica è stato condotto presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), nell’ambito del progetto LUCIFER, futuro esperimento per la ricerca del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini (0νββ). Nel corso degli ultimi anni, infatti, sono stati raggiunti importanti risultati riguardanti il neutrino e le sue proprietà, quali la scoperta delle oscillazioni e della conseguente esistenza di una massa non nulla. Rimangono, tuttavia, alcuni dubbi circa la natura del neutrino (Dirac o Majorana) e la misura della sua scala di massa assoluta. In questo contesto, il decadimento 0νββ rappresenta uno strumento unico per indagare la natura del neutrino e, nel caso in cui questo si rivelasse di Majorana, misurarne la massa assoluta. Questo processo, infatti, è permesso solo per un neutrino di Majorana e la sua frequenza dipende dalla massa assoluta del neutrino stesso. In questi anni sono stati proposti e realizzati diversi esperimenti per la ricerca del decadimento 0νββ con sensibilità tali da investigare la cosiddetta regione di massa quasi-degenere e, ultimamente, la regione della gerarchia inversa (esperimenti di II generazione) grazie all’utilizzo di rivelatori bolometrici, dispositivi per la rilevazione di particelle basati sul rilascio di calore a bassissime temperature. Un’esplorazione più completa di questa regione, tuttavia, si può realizzare soltanto con ulteriori sviluppi di tali rivelatori. Per questo motivo gli ultimi sforzi si concentrano sui cosiddetti esperimenti di III generazione, in cui si colloca LUCIFER. L’esperimento migliora la tecnica bolometrica utilizzando bolometri scintillanti, materiali che, oltre al rilascio di calore, emettono luce di scintillazione al passaggio delle particelle: questo fa sì che le particelle α (che contribuiscono al fondo di un esperimento 0νββ) siano separate dalle particelle β(γ), poiché, a parità di energia rilasciata, le rese di luce sono diverse. Ad oggi sono stati testati vari materiali e quello che ha mostrato le caratteristiche migliori per una ricerca di 0νββ è stato individuato nel Seleniuro di Zinco (ZnSe). Nel primo capitolo della tesi sono ricapitolati gli aspetti più importanti della fisica dei neutrini, partendo dal loro inquadramento nel Modello Standard, passando per le evidenze di oscillazione di sapore e giungendo così allo studio della possibile natura di Majorana di queste particelle, investigabile mediante la ricerca del decadimento 0νββ. Il secondo capitolo riporta gli esperimenti attuali e futuri nell’ambito del decadimento 0νββ, descrivendone le tecniche di ricerca utilizzate. Sono, infine, riportati alcuni risultati ottenuti. Il terzo capitolo descrive la tecnica dei rivelatori bolometrici, utilizzati nell’esperimento CUORICINO. Di quest’ultimo, in particolare, sono riportate le modalità di ricerca e sono forniti alcuni risultati ottenuti, che dimostrano come i contributi al fondo di un esperimento 0νββ siano essenzialmente dovuti a particelle α degradate in energia. Nel quarto capitolo è illustrata la tecnica dei bolometri scintillanti; è, quindi, fatta una breve rassegna sui vari composti analizzati, per poi arrivare alla descrizione del composto scelto, il Seleniuro di Zinco. Il quinto e ultimo capitolo si riferisce all’ultimo test condotto su un campione di ZnSe presso i LNGS (Aprile 2010). Vengono, quindi, riportate le procedure eseguite per la configurazione dell’apparato sperimentale e la successiva messa in funzione. Poiché in questo genere di esperimenti il principale contributo al fondo proviene da particelle α, è, infine, riportata l’analisi sul cristallo di ZnSe, con lo scopo di determinare alcuni parametri di forma utili per migliorare l’abilità nella discriminazione tra particelle α e particelle β e γ, fattore determinante per ottenere i livelli di sensibilità richiesti dalla ricerca per il decadimento 0νββ.