First results of the NEXT-100 detector using $^{83m}$Kr decays

Nel profondo del mondo subatomico, esiste un evento raro e misterioso che i fisici inseguono da decenni: il decadimento doppio beta senza neutrini. Secondo le regole standard della natura, certi atomi possono trasformarsi emettendo due elettroni e due particelle invisibili chiamate neutrini. Tuttavia, se esiste un tipo specifico di neutrino — uno che è la propria antiparticella, noto come particella di Majorana — questo processo potrebbe avvenire senza rilasciare affatto quei neutrini. Trovare questo decadimento riscriverebbe la nostra comprensione dell'universo, provando che materia e antimateria sono più profondamente legate di quanto pensassimo. Per catturare questo evento fugace, gli scienziati hanno bisogno di rivelatori di un'immensa sensibilità e precisione, capaci di distinguere un singolo, raro segnale da un mare di rumore di fondo. La sfida non consiste solo nel costruire un contenitore abbastanza grande, ma nel garantire che ogni minuscola quantità di energia rilasciata all'interno sia misurata con perfetta chiarezza.

Un team di ricercatori noto come la collaborazione NEXT sta affrontando questa sfida utilizzando un rivelatore specializzato riempito di gas xeno ad alta pressione. Il loro ultimo sforzo, l'esperimento NEXT-100, ha iniziato recentemente la sua prima fase di funzionamento nelle profondità del Laboratorio Subterráneo de Canfranc, in Spagna. Questa struttura è progettata per essere una gigantesca fotocamera tridimensionale capace di tracciare le traiettorie degli elettroni con un dettaglio incredibile. L'obiettivo è quello di riempire infine il rivelatore con una versione pesante e arricchita dello xeno e attendere che avvenga il raro decadimento. Prima di poter iniziare questa lunga ricerca, tuttavia, devono dimostrare che la macchina funzioni esattamente come previsto. Nel loro primo rapporto principale, il team descrive come ha testato la visione del rivelatore utilizzando una fonte sicura e artificiale di energia per mappare le sue prestazioni e garantire che sia abbastanza stabile per gli anni di raccolta dati che verranno.

Per testare la macchina, i ricercatori hanno introdotto una piccola quantità di un gas radioattivo chiamato cripton-83m nella camera riempita di xeno. Questo gas agisce come una sorgente di energia perfetta e nota, decadendo in un modo che rilascia un impulso di energia preciso e minuscolo, equivalente a 41,5 kiloelettronvolt. Poiché questa energia è così bassa e costante, funge da righello affidabile rispetto al quale il rivelatore può essere misurato. Man mano che gli atomi di cripton decadono in tutto il volume del rivelatore, creano lampi di luce che vengono captati da due diversi set di sensori. Un set di sensori, situato a un'estremità del cilindro, misura la quantità totale di luce per determinare l'energia dell'evento. L'altro set, una griglia di minuscoli sensori di luce sul lato opposto, cattura la forma e la posizione della luce per ricostruire esattamente dove è avvenuto l'evento in tre dimensioni. Analizzando milioni di questi eventi, il team è stato in grado di creare una mappa dettagliata di come il rivelatore risponde all'energia in ogni singolo punto all'interno della camera.

I risultati di questa calibrazione iniziale sono stati molto incoraggianti. I ricercatori hanno scoperto che la risposta del rivelatore non era perfettamente uniforme; la quantità di luce raccolta variava leggermente a seconda di dove avveniva l'evento, influenzata dalla geometria della camera e dal comportamento degli elettroni mentre fluttuavano attraverso il gas. Tuttavia, utilizzando i dati dai decadimenti del cripton per creare una mappa di correzione, sono stati in grado di regolare le letture e rendere uniforme la visione del rivelatore in tutto il volume. Dopo aver applicato queste correzioni, il team ha misurato la capacità del rivelatore di distinguere tra diversi livelli di energia, una qualità nota come risoluzione energetica. Nell'intero volume del rivelatore, hanno ottenuto una risoluzione del 4,37 percento. Quando si sono concentrati su una regione centrale ben gestita del rivelatore, che imita le condizioni del loro futuro funzionamento ad alta pressione, la risoluzione è migliorata al 4,16 percento.

Questi numeri sono significativi perché indicano che il rivelatore sta performando meglio dei suoi obiettivi di progettazione. Il team ha calcolato che, se dovessero cercare l'energia molto più elevata del decadimento doppio beta senza neutrini, che è di circa 2,458 megaelettronvolt, le prestazioni del rivelatore scalerebbero fino a una risoluzione energetica di circa lo 0,5 percento. Questo è ben al di sotto della soglia dell'uno percento richiesta per separare efficacemente il raro segnale dal rumore di fondo. Inoltre, lo studio ha dimostrato che il rivelatore è straordinariamente stabile nel tempo. In un periodo di tre mesi, i sensori e il gas all'interno sono rimasti costanti, con l'uscita luminosa che variava di meno del due percento e la purezza del gas che rimaneva sufficientemente alta da consentire agli elettroni di viaggiare liberamente senza andare perduti.

Il successo di questa prima corsa con il rivelatore NEXT-100 segna un passo critico in avanti nella ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini. Dimostrando che la macchina può mappare il proprio paesaggio interno con tale precisione e mantenere tale prestazione nel tempo, la collaborazione ha validato la tecnologia necessaria per la fase successiva dell'esperimento. Il team prevede di aumentare la pressione del gas xeno al suo livello operativo completo all'inizio del 2026, momento in cui il rivelatore sarà pronto per iniziare la sua lunga ricerca del raro decadimento. Per ora, i dati confermano che lo strumento non è solo costruito secondo le specifiche corrette, ma funziona anche con la stabilità e la chiarezza necessarie per potenzialmente svelare uno dei segreti più profondi dell'universo.