fysiker Laura Marini drives koordinator og site manager for Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE). Eksperimentet drives af et internationalt samarbejde og er placeret dybt under et bjerg i Italiens Abruzzo-region ved Gran Sasso National Laboratory under National Institute of Nuclear Physics. Marini modtog en PhD i fysik fra University of Genova i 2018 og tog derefter en postdoc ved University of California, Berkeley. Hun begyndte at arbejde på CUORE under sin ph.d., og i dag er hun tilknyttet Italiens Gran Sasso Science Institute og Gran Sasso-laboratoriet. Marini talte med Richard Blaustein om hendes rolle ved CUORE og eksperimentets seneste milepæl i dets igangværende undersøgelse af, om neutrinoer er Majorana-partikler.
Kan du beskrive din dobbeltrolle hos CUORE?
Lige nu er jeg kørekoordinator for dette nuværende eksperiment og site manager for CUORE. Som løbskoordinator sørger jeg for, at eksperimentet fortsætter uden at stoppe. Dette er vigtigt, fordi vi leder efter ekstremt sjældne hændelser, så vi ønsker at tage data så længe som muligt uden at stoppe. Jeg arbejder både med den kryogene del af eksperimentet og dataindsamlingsdelen. Jeg arbejder også på at minimere baggrundsstøjniveauet i eksperimentet – hvilket også er vigtigt, når man leder efter sjældne hændelser.
Min rolle som site manager er en smule bredere end kørekoordinator. Jeg håndterer grænsefladen mellem eksperimentet og Gran Sasso National Laboratory, koordinerer aktiviteter på stedet og organiserer vedligeholdelsen af alle systemer og delsystemer.
Kan du beskrive CUORE og hvad det søger at måle?
CUORE leder efter sjældne begivenheder i fysik, og det er specielt designet til at søge efter neutrinoløst dobbelt beta-henfald. Denne proces forventes at forekomme, hvis neutrinoer er deres egne anti-partikler - det vil sige, hvis de er Majorana-partikler. Det er vigtigt at besvare dette spørgsmål, for hvis det bevises, at neutrinoer er Majorana-partikler, vil mysteriet om, hvorfor neutrinomasserne er så små i partikelfysikkens standardmodel blive løst.
Vi søger efter neutrinoløst dobbelt beta-henfald i isotopen tellur-130, fordi det er kendt for at gennemgå almindeligt dobbelt beta-henfald, og det har en høj naturlig overflod. CUORE har 184 tellurdioxidkrystaller, der holdes tæt på 10 mK inde i en stor kryostat. Kryostaten bruger ikke flydende helium, men har i stedet fem pulsrørskryokølere.
Forsøget skal holdes ved en meget lav temperatur, fordi vi søger efter neutrinoløst dobbelt beta-henfald ved at detektere den lille temperaturstigning i en krystal, der opstår på grund af henfaldet. Før CUORE kunne kun et lille eksperimentelt volumen og masse afkøles, men vi har øget dette enormt ved at køle op til 1.5 ton materiale ved basistemperatur. En anden fordel ved CUORE er, at eksperimentet har en meget god energiopløsning og opererer over et meget bredt energiområde – hvilket burde hjælpe det med at identificere henfaldsbegivenheder.
Hvad er betydningen af CUOREs seneste præstation med at erhverve et "ton-år" af data?
Tonår refererer til massen af telluroxidet, der overvåges ganget med den tid, eksperimentet indsamlede data. Massen er 741 kg, og data blev indsamlet i kørsler, der blev udført mellem 2017 og 2020. Ikke alle kørsler involverede at bruge hele massen, men alt i alt blev der indsamlet data for et ton-år.
Der er to væsentlige aspekter ved dette. For det første er det første gang, at så stor en masse er blevet afkølet i en kryostat. For det andet, fordi vi var i stand til at køre eksperimentet i så lang tid, har vi vist, at kryogene kalorimetre er en levedygtig måde at søge efter neutrinoløst dobbelt beta-henfald.
Hvad fortalte dette tonsårige data dig og dine kolleger?
For at være klar, har vi ikke fundet Majorana-partikler. I stedet har vi været i stand til at sætte en nedre grænse for halveringstiden for neutrinofrit dobbelt beta-henfald. Vi ved nu, at halveringstiden er større end 2.2×1025 flere år. Vi kan konkludere dette, fordi hvis halveringstiden var kortere, ville vi have forventet at se mindst en eller flere hændelser i CUORE.
Kan CUORE bruges til at udforske andre områder af fysikken?
Ja. CUORE er designet til at søge efter sjældne begivenheder og har derfor potentialet til at lede efter mørkt stof. Partikler af mørkt stof forventes at interagere med CUOREs detektormaterialer meget sjældent, og dette ville involvere frigivelse af meget små mængder energi. Så søgningen efter mørkt stof ville drage fordel af eksperimentets store masse og lange løbetid. En søgning efter mørkt stof ville involvere at udforske en anden energiregion i detektoren, og der er grupper af fysikere i CUORE-samarbejdet, der ser på den mulighed.
Har CUOREs kryogene milepæl nogen betydning for kvanteberegning?
Jeg er ikke ekspert i kvanteberegning, men generelt kræver solid state-enheder, der behandler kvanteinformation, lange kvantekohærenstider. Vi ved, at varme og kosmogen stråling begge reducerer kvantekohærenstider. At køre eksperimenter under jorden med avanceret kryogenik giver beskyttelse mod disse negative effekter. Mens CUOREs tellurdioxidkrystaller ikke kan bruges til kvanteberegning, kan det faktum, at vi har opnået en så lang eksperimentel kørsel under jorden med en meget stor kryostat og med rene materialer, potentielt være meget nyttig til udviklingen af kvanteteknologier.
Hvad vil fremtiden bringe for CUORE-samarbejdet?
CUORE vil køre indtil 2024, og vi arbejder allerede på CUORE-opgraderingen med partikelidentifikation – eller CUPID. Vi vil erstatte CUOREs nuværende tellurdioxidkrystaller med lithiummolybdatkrystaller. Når partikler produceret i neutrinolfrit dobbelt beta-henfald interagerer med lithiummolybdat, producerer de både varme og lys. Dette lys vil blive detekteret sammen med varmen, og forholdet mellem varme og lys vil give os mulighed for at afvise baggrundsbegivenheder, der involverer partikler, der ikke er produceret af neutrinoløst dobbelt beta-henfald. Den kryogene struktur af eksperimentet vil også blive opgraderet.
