Scientia

În 1988, un scufundător temerar a descoperit o navă romană scufundată lângă coasta Sardiniei (Italia); aceasta transporta plumb, cu mai bine de 2000 de ani în urmă. O parte din plumbul recuperat va fi folosit într-un experiment despre neutrini.

Plumbul, care are o radioactivitate extrem de mică, va fi folosit în cadrul experimentului CUORE de la laboratorul subteran italian de la Gran Sasso (LNGS-INFN), pentru a construi un ecran de protecţie a detectoarelor împotriva radiaţiei externe. CUORE are scopul de a efectua măsurători extrem de precise asupra neutrinilor, pentru a determina masa şi natura acestor particule misterioase.

Descoperirea plumbului roman

În urmă cu 22 de ani, un scufundător a descoperit resturile unei nave romane scufundate lângă Oristano (coasta Sardiniei). Nava, lungă de circa 36 de metri, o Navis Oneraria Magna, era specializată în transporturi de materiale grele, cum ar fi plumb sau alte metale şi a fost scufundată acum mai bine de 2000 de ani. Aceasta transporta circa 1000 de lingouri de plumb, fiecare cântărind aproximativ 33 kg. Fiind încă ancorată, se presupune că nava a fost scufundată chiar de către căpitan, ca să nu cadă în mâinile inamicilor.

Imediat după descoperire, plumbul a fost recuperat şi dus la muzeul de arheologie din Cagliari, cu contribuţia (de circa 210,000$) a Institutului Naţional de Fizică Nucleară Italian (INFN). 150 dintre aceste lingouri au fost donate INFN-ului imediat după recuperare; la ora actuală, alte 120 de lingouri vor fi utilizate în cadrul unui experiment de fizică ce va fi efectuat la laboratorul subteran de la Gran Sasso: experimentul CUORE (Cryogenic Underground Observatory for rare Events).

Lingourilor donate INFN li se recuperează mai întâi inscripţia romană, care va fi păstrată la muzeul din Cagliari; restul plumbului va fi topit şi turnat într-o nouă formă care va funcţiona ca ecran de protecţie împotriva radiaţiei externe a experimentului.

Experimentul CUORE

Echipamentele experimentului CUORE vor fi instalate la laboratorul subteran de la Gran Sasso, LNGS, situat sub 1400 metri de rocă. LNGS este un laborator specializat în experimente care nu au nevoie de acceleratoare (cu excepţia experimentului OPERA, care studiază neutrinii care provin de la CERN). Obiectivul situării sub munte este de a filtra produşii secundari ai razelor cosmice (aceşti produşi nu mai reprezintă demult un mister), lăsând să treacă doar neutrinii şi eventualele particule de materie întunecată, care reprezintă scopul experimentelor.

Laboratoarele subterane ale experimentului CUORE din munţii Gran Sasso

CUORE va studia aşa-numitul proces de dublă dezintegrare beta fără emisie de neutrini a nucleului 130Te  (0nbb) cu ajutorul unui aparat alcătuit din 1000 monocristale de dioxid de teluriu (TeO2), fiecare cu greutatea de 760 g. Pe scurt, principiul de funcţionare (bolometrie) este următorul: cristalele de TeO2 sunt menţinute la temperaturi extrem de joase cu ajutorul unui puternic sistem criogenic; orice particulă care ajunge într-un astfel de cristal îi cedează acestuia energia, ceea ce duce la creşterea locală a temperaturii. Această încălzire este măsurată cu un senzor termic şi informaţia este utilizată pentru a determina eventuala prezenţă a evenimentelor de tipul 0nbb, care au un semnal specific.

În cazul experimentului CUORE, cristalele de TeO2 sunt atât detectoarele de particule, cât şi cele care generează semnalul, datorită faptului că se caută procesele de dublă dezintegrare beta fără emisie de neutrini chiar din partea Teluriului (izotopul 130Te).

Dezintegrarea beta fără emisie de neutrini

Neutrinii sunt particule prezente în modelul standard al fizicii particulelor încă învăluite în mister. Cu toate că la ora actuală se ştie că neutrinii au masă de repaus, aceasta nu a fost încă măsurată. De asemenea, nu se ştie dacă antiparticulele neutrinilor (antineutrinii) sunt particule diferite faţă de aceştia, sau sunt una şi aceeaşi particulă (caz în care neutrinii ar fi particule de tip Majorana). O modalitate de a răspunde ambelor întrebări este studiul proceselor de dublă dezintegrare beta fără emisie  de neutrini, proces în care un element se transformă în altul în urma transformării a doi neutroni în doi protoni cu emisie de doi electroni, fără emisie de neutrini. Acest lucru este posibil doar dacă neutrinul şi antineutrinul sunt una şi aceeaşi particulă. Procesul despre care vorbim este următorul:

n->p+e-+anti-v; v(=anti-v)+n->p+e-

Unde p – proton, e –electron, n – neutron, v – neutrin, anti-v – antineutrin

În cadrul procesului "normal" de dublă dezintegrare beta, pe lângă cei doi electroni se emit şi doi antineutrini.

Plumbul roman, folosit pentru ecranarea experimentului CUORE

Plumbul recuperat de pe nava romană va fi folosit pentru ecranarea experimentului CUORE împotriva particulelor care provin din exterior (generate în dezintegrări ale elementelor radioactive din roci sau chiar şi din materialele din care este construit aparatul) şi care ar putea genera în detectoare zgomot de fond care se suprapune peste semnalul căutat (0nbb). Plumbul are capacitatea de a absorbi (în mare parte) aceste particule, însă, la rândul său, plumbul este radioactiv, deci reprezintă o potenţială sursă de zgomot.

Plumbul roman are însă o radioactivitate neglijabilă, de circa 100.000 de ori mai mică faţă de radionuclizii "proaspeţi" (care ar corespunde unor lingouri din plumb elaborate astăzi). Radioactivitatea plumbului este dată în special  de prezenţa izotopului Pb210. Timpul de înjumătăţire mic (de circa 22 de ani) al acestui izotop face ca după 2000 de ani de când acest plumb zace pe fundul mării, radioactivitatea acestuia să fi scăzut extrem de mult.

Acesta este motivul pentru care cărămizile de plumb donate INFN-ului vor constitui parte importantă a ecranului de protecţie a experimentului şi vor contribui astfel la obţinerea unor rezultate mult mai precise.

Concluzii

Experimentul CUORE, care va fi efectuat în următorii ani la LNGS, are scopul de a măsura eventuala dublă dezintegrare beta a 130Te fără emisie de neutrini; obiectivul este de a explora regiunea de masă a neutrinilor între 0.02 şi 0.05 eV (deci o masă de circa 10 milioane de ori mai mică decât cea a electronului) şi de a verifica natura acestuia, contribuind la descifrarea misterelor neutrinilor şi la o înţelegere mai profundă a fizicii particulelor elementare.

Pentru a efectua aceste măsurători extrem de precise, experimentul foloseşte ca ecran de protecţie împotriva radiaţiei externe plumbul cu o radioactivitate intrinsecă extrem de mică, recuperat de pe o navă romană scufundată acum mai bine de 2000 de ani.

Autoarea mulţumeşte pentru colaborare dlui Paul Fogarassy.