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CUPID (CUORE Upgrade with Particle IDentification) è un esperimento criogenico di nuova generazione progettato per la ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini ($0\nu\beta\beta$), con l’obiettivo di investigare la natura di Majorana del neutrino e violazioni del numero leptonico. Esso rappresenta l’evoluzione dell’esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) e introduce l’uso di cristalli scintillanti operati a temperature dell’ordine di 10 mK, nei quali il cristallo assorbitore funge simultaneamente da sorgente del decadimento e da rivelatore. Rispetto a CUORE, la misura coincidente del segnale di calore depositato e della luce di scintillazione emessa consente l’identificazione di particelle evento per evento: in particolare, la discriminazione degli eventi di tipo $\alpha$ da quelli di tipo $\beta/\gamma$ permette una soppressione efficace degli eventi di fondo, prerequisito essenziale per la ricerca di processi ultra-rari. Il livello di fondo atteso per la tecnologia CUPID nell’intorno della regione di interesse è dell’ordine di $10^{-4}$ eventi/(keV$\cdot$kg$\cdot$yr), corrispondente al regime di quasi zero-fondo su scale temporali sperimentali.
Le stesse caratteristiche che rendono CUPID altamente competitivo per la ricerca del decadiento $0\nu\beta\beta$ — eccellente risoluzione energetica, discriminazione di particelle, livelli estremamente ridotti fondo — lo rendono naturalmente sensibile ad eventi rari di vario genere oltre il Modello Standard. Tra questi rivestono particolare interesse gli assioni, particelle ipotetiche introdotte per risolvere il problema di CP forte e oggi considerate promettenti candidati di materia oscura. Gli assioni ipoteticamente prodotti nel Sole interagirebbero nei cristalli del rivelatore tramite accoppiamenti con elettroni o nucleoni, generando segnature spettrali caratteristiche nello spettro energetico misurato.
In questo contributo viene presentata la prima ricerca di assioni mai realizzata con il rivelatore CUPID-0, dimostratore della tecnologia CUPID basato su un array di cristalli scintillanti di ZnSe arricchiti in $^{82}$Se. L’analisi, basata su un’esposizione di 9.95 kg$\cdot$yr (CUPID-0 Phase I), considera tre possibili canali di interazione degli assioni solari nei cristalli: effetto assioelettrico, scattering di tipo Compton e produzione di coppie indotta da assioni. Le corrispondenti segnature sperimentali attese sono state determinate mediante simulazioni Monte Carlo del rivelatore e ricercate nello spettro energetico misurato. Il contributo di segnale è stato estratto tramite un fit spettrale globale che include un modello dettagliato delle componenti di fondo osservate nei dati.
In assenza di evidenza di segnale, è stato determinato un limite superiore sul numero di eventi compatibili con gli assioni e quindi sulla costante di accoppiamento assione–elettrone $g_{ae}$. La procedura di limite consente di escludere una regione dello spazio dei parametri teorici che descrivono le interazioni degli assioni con la materia ordinaria.
Il risultato dimostra per la prima volta la sensibilità della tecnologia CUPID-0, originariamente ottimizzato per la ricerca di $0\nu\beta\beta$, alla fisica degli assioni. Lo studio stabilisce inoltre la base metodologica per future ricerche di assioni con l’esperimento CUPID su larga scala, che beneficerà di esposizioni significativamente maggiori e fondi ulteriormente ridotti.