A Caccia del Kripton-85: la Mia Avventura con GERDA nell’Argon Liquido!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e curiosi dell’universo! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel cuore di uno degli esperimenti più sensibili al mondo, GERDA, e raccontarvi di come abbiamo “dato la caccia” a un ospite indesiderato ma onnipresente: il Kripton-85 (⁸⁵Kr).

Magari vi starete chiedendo: “Kripton-85? E che sarà mai?”. Beh, immaginate di cercare un segnale radio debolissimo, quasi impercettibile. Ogni minima interferenza, ogni “rumore di fondo”, può mascherare ciò che state cercando. Ecco, il ⁸⁵Kr è proprio uno di questi “rumori” per esperimenti come GERDA, che cercano eventi rarissimi come il doppio decadimento beta senza neutrini. Una scoperta che rivoluzionerebbe la fisica delle particelle!

Il “Fantasma” Radioattivo nell’Aria

Il ⁸⁵Kr è un isotopo radioattivo del kripton, un gas nobile. La sua particolarità? Si trova in quantità significative nella nostra atmosfera, principalmente a causa delle attività dell’industria nucleare. Pensate alle centrali di riprocessamento del combustibile nucleare, ai test di armi nucleari o agli incidenti: tutte queste attività hanno contribuito ad aumentare la sua concentrazione nell’aria che respiriamo. E non è un problema da poco, perché il ⁸⁵Kr decade emettendo particelle beta (elettroni) con un’emivita di circa 10.7 anni e un’energia (Q-value) di 687 keV. Questo lo rende una fonte di background pericolosa per i rivelatori a bassa soglia energetica che utilizzano gas nobili o liquidi criogenici distillati dall’aria, come l’argon liquido (LAr) usato in GERDA.

La sua concentrazione atmosferica è aumentata costantemente dall’inizio dell’era nucleare, arrivando a valori medi globali di 1-2 Bq/m³. E c’è di più: le concentrazioni sono generalmente più alte vicino agli impianti di riprocessamento e nell’emisfero settentrionale. Insomma, un vero e proprio “fantasma” radioattivo che si insinua ovunque.

GERDA e la Sfida del Kripton-85

L’esperimento GERDA (GERmanium Detector Array), che ha operato fino all’inizio del 2020 nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN, in Italia, utilizzava rivelatori di germanio ad alta purezza (HPGe), arricchiti isotopicamente in ⁷⁶Ge, immersi in un bagno criogenico di argon liquido purissimo. L’argon liquido fungeva sia da refrigerante che da schermo passivo contro la radioattività esterna. Il problema è che questo argon, per quanto “puro” (grado 5.0, ovvero 99.999% di purezza), viene distillato dall’atmosfera. E indovinate un po’ chi si porta dietro? Esatto, il nostro ⁸⁵Kr!

Fortunatamente, il decadimento del ⁸⁵Kr ha una “firma” particolare. In circa lo 0.43% dei casi, dopo il decadimento beta, il nucleo figlio di Rubidio-85 (⁸⁵Rb) si trova in uno stato eccitato e si diseccita emettendo un raggio gamma da 514 keV. Ed è proprio qui che entrano in gioco i nostri super-rivelatori di GERDA! Grazie alla loro eccellente risoluzione energetica, possiamo “vedere” questo raggio gamma come un picco ben definito nello spettro di energia. Le particelle beta, invece, vengono per lo più assorbite dall’argon circostante.

Quindi, l’idea è stata: contiamo quanti eventi a 514 keV vediamo nei nostri rivelatori e, conoscendo l’efficienza di rivelazione (calcolata con accurate simulazioni Monte Carlo), possiamo risalire all’attività specifica del ⁸⁵Kr presente nell’argon liquido al momento del riempimento del criostato.

L’argon liquido di GERDA è stato caricato nel criostato tra novembre e dicembre 2009, proveniente da un impianto di Trieste. Da allora, sono stati fatti solo piccoli rabbocchi. Abbiamo preso in considerazione tutte le precauzioni per sigillare l’argon dall’atmosfera, quindi una ricontaminazione significativa durante la presa dati è improbabile. E la produzione in situ di ⁸⁵Kr per raggi cosmici o fissione spontanea dell’uranio è trascurabile ai LNGS, così in profondità sotto la montagna.

L’Analisi dei Dati: Caccia al Picco!

Per la nostra analisi, abbiamo utilizzato l’intero set di dati della Fase II di GERDA, raccolti tra dicembre 2015 e novembre 2019. Parliamo di un’esposizione di ben 105.5 kg·anno! Abbiamo scartato i dati dei rivelatori di germanio naturale per instabilità e bassa contribuzione. Abbiamo applicato tutta la nostra catena di processamento del segnale, eliminando eventi spuri o di pile-up (quando due eventi arrivano troppo vicini nel tempo).

Lo spettro energetico nella regione di interesse, intorno ai 500 keV, è affollato! C’è il decadimento del ³⁹Ar (un altro isotopo radioattivo dell’argon), il decadimento doppio beta con emissione di due neutrini (2νββ) del ⁷⁶Ge, e i decadimenti di isotopi come il ⁴⁰K e quelli delle catene dell’uranio e del torio presenti nei materiali strutturali. Ma, grazie alla risoluzione dei nostri rivelatori, soprattutto i BEGe e gli IC (Inverted Coaxial) dopo un upgrade del 2018, riusciamo a distinguere il picco a 514 keV del ⁸⁵Rb dal vicino picco a 511 keV, dovuto all’annichilazione positrone-elettrone e a un decadimento del ²⁰⁸Tl. Pensate che nella Fase I di GERDA, la risoluzione non era sufficiente per separarli così bene!

Per capire quanti dei nostri conteggi a 514 keV provenissero effettivamente dal ⁸⁵Kr, abbiamo usato simulazioni Monte Carlo molto dettagliate (con il software MaGe, basato su Geant4). Abbiamo simulato un gran numero di decadimenti di ⁸⁵Kr distribuiti uniformemente nell’argon liquido e abbiamo visto quanti raggi gamma da 514 keV venivano completamente assorbiti dai nostri rivelatori. Abbiamo tenuto conto dello stato operativo di ogni singolo rivelatore e persino del fatto che l’attività del ⁸⁵Kr diminuisce nel tempo a causa del suo decadimento (ricordate l’emivita di 10.7 anni?).

Il Verdetto e le Implicazioni

E alla fine, dopo un’attenta analisi statistica (usando la stima di massima verosimiglianza, per i più tecnici), abbiamo ottenuto il nostro risultato! L’attività specifica del ⁸⁵Kr nell’argon liquido all’inizio della Fase II di GERDA (25 dicembre 2015) è stata determinata essere (0.36 ± 0.03) mBq/kg (millibecquerel per chilogrammo).

Se estrapoliamo questo valore indietro nel tempo, fino al momento del riempimento del criostato (17 dicembre 2009), otteniamo un’attività di (0.53 ± 0.05) mBq/kg. È importante notare che l’incertezza è dominata dalla statistica, più che dalle incertezze sistematiche (come quelle sul volume attivo dei rivelatori o sulla calibrazione energetica).

Come si confronta questo risultato con altri esperimenti? La collaborazione WARP, sempre con argon liquido atmosferico, aveva riportato un valore di (0.12 ± 0.09) Bq/kg. Il nostro valore è significativamente più basso del loro valore centrale, ma compatibile entro le incertezze sperimentali. Invece, DarkSide, che usava argon da sorgenti sotterranee (pensato per essere più pulito), aveva misurato un’attività sorprendentemente alta di (2.05 ± 0.13) mBq/kg, forse dovuta a contaminazione in situ. Questo ci dice una cosa importante: l’attività del ⁸⁵Kr può variare parecchio tra diversi esperimenti, a seconda dei dettagli dei processi di distillazione e manipolazione dell’argon.

Questa misurazione è fondamentale non solo per GERDA, ma per tutta la comunità scientifica che lavora con rivelatori a gas nobili liquidi. Conoscere con precisione il livello di questo “rumore di fondo” ci aiuta a interpretare meglio i nostri dati e a progettare esperimenti futuri ancora più sensibili.

E parlando di futuro, la collaborazione LEGEND (Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless ββ Decay) sta attualmente operando l’esperimento LEGEND-200 proprio ai LNGS, utilizzando il criostato di GERDA. Con circa 200 kg di rivelatori HPGe immersi in una nuova “carica” di argon liquido atmosferico, avremo l’opportunità di ripetere questa misurazione e, chissà, magari ottenere risultati ancora più precisi!

Insomma, la caccia al ⁸⁵Kr è un esempio perfetto di come, nella ricerca scientifica di frontiera, anche la comprensione e la caratterizzazione dei più piccoli “disturbi” sia cruciale per spingere sempre più in là i confini della nostra conoscenza. È un lavoro meticoloso, fatto di misure precise, simulazioni complesse e analisi rigorose, ma la soddisfazione di “stanare” questi fantasmi radioattivi e pulire la strada per scoperte epocali è impagabile!

Spero che questo piccolo tuffo nel mondo del Kripton-85 e dell’esperimento GERDA vi sia piaciuto. Alla prossima avventura scientifica!

Fonte: Springer