Physiker Laura Marini ist Koordinator und Standortleiter des Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE). Das von einer internationalen Kollaboration betriebene Experiment befindet sich tief unter einem Berg in der italienischen Region Abruzzen im Gran Sasso National Laboratory des National Institute of Nuclear Physics. Marini promovierte 2018 in Physik an der Universität Genua und war anschließend Postdoc an der University of California, Berkeley. Sie begann während ihrer Promotion mit der Arbeit an CUORE und ist heute mit dem italienischen Gran Sasso Science Institute und dem Gran Sasso Lab verbunden. Marini sprach mit Richard Blaustein über ihre Rolle bei CUORE und den jüngsten Meilenstein des Experiments in seiner laufenden Untersuchung, ob Neutrinos Majorana-Teilchen sind.
Können Sie Ihre Doppelrolle bei CUORE beschreiben?
Im Moment bin ich Koordinator für dieses aktuelle Experiment und Standortleiter für CUORE. Als Ablaufkoordinator sorge ich dafür, dass das Experiment ohne Unterbrechung weiterläuft. Dies ist wichtig, da wir nach extrem seltenen Ereignissen suchen und daher Daten so lange wie möglich ohne Unterbrechung aufnehmen möchten. Ich arbeite sowohl am kryogenen Teil des Experiments als auch am Teil der Datenerfassung. Ich arbeite auch daran, den Hintergrundgeräuschpegel im Experiment zu minimieren – was auch wichtig ist, wenn man nach seltenen Ereignissen sucht.
Meine Rolle als Bauleiter ist etwas umfassender als die des Laufkoordinators. Ich kümmere mich um die Schnittstelle zwischen dem Experiment und dem Gran Sasso National Laboratory, koordiniere die Aktivitäten vor Ort und organisiere die Wartung aller Systeme und Subsysteme.
Können Sie CUORE beschreiben und was es zu messen versucht?
CUORE sucht nach seltenen Ereignissen in der Physik und wurde speziell für die Suche nach neutrinolosem Doppel-Beta-Zerfall entwickelt. Dieser Prozess wird erwartet, wenn Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind – also Majorana-Teilchen. Die Beantwortung dieser Frage ist wichtig, denn wenn nachgewiesen wird, dass Neutrinos Majorana-Teilchen sind, wird das Rätsel gelöst, warum Neutrinomassen im Standardmodell der Teilchenphysik so klein sind.
Wir suchen nach neutrinolosem Doppel-Beta-Zerfall im Isotop Tellur-130, da bekannt ist, dass es einem gewöhnlichen Doppel-Beta-Zerfall unterliegt und eine hohe natürliche Häufigkeit aufweist. CUORE besteht aus 184 Tellurdioxid-Kristallen, die in einem großen Kryostaten nahe 10 mK gehalten werden. Der Kryostat verwendet kein flüssiges Helium, sondern verfügt über fünf Pulsrohr-Kryokühler.
Das Experiment muss auf einer sehr niedrigen Temperatur gehalten werden, da wir nach einem neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall suchen, indem wir den winzigen Temperaturanstieg innerhalb eines Kristalls nachweisen, der aufgrund des Zerfalls auftritt. Vor CUORE konnte nur ein kleines experimentelles Volumen und Masse gekühlt werden, aber wir haben dies enorm gesteigert, indem wir bis zu 1.5 Tonnen Material auf Basistemperatur gekühlt haben. Ein weiterer Vorteil von CUORE ist, dass das Experiment eine sehr gute Energieauflösung hat und über einen sehr breiten Energiebereich arbeitet – was ihm helfen sollte, Zerfallsereignisse zu identifizieren.
Welche Bedeutung hat die jüngste Errungenschaft von CUORE, ein „Tonnenjahr“ an Daten zu erfassen?
Tonnenjahr bezieht sich auf die Masse des überwachten Telluroxids multipliziert mit der Zeitdauer, in der das Experiment Daten gesammelt hat. Die Masse beträgt 741 kg und die Daten wurden in Läufen erfasst, die zwischen 2017 und 2020 durchgeführt wurden. Nicht bei jedem Lauf wurde die gesamte Masse verwendet, aber insgesamt wurden Daten im Wert von einem Tonnenjahr gesammelt
Dabei gibt es zwei wesentliche Aspekte. Erstens ist dies das erste Mal, dass eine so große Masse in einem Kryostaten gekühlt wird. Zweitens haben wir, weil wir das Experiment so lange durchführen konnten, gezeigt, dass kryogene Kalorimeter ein gangbarer Weg sind, um nach neutrinolosem Doppel-Beta-Zerfall zu suchen.
Was haben diese Tonnen von Daten Ihnen und Ihren Kollegen gesagt?
Um es klarzustellen, wir haben keine Majorana-Partikel gefunden. Stattdessen konnten wir eine untere Grenze für die Halbwertszeit des neutrinolosen doppelten Beta-Zerfalls festlegen. Wir wissen jetzt, dass die Halbwertszeit größer als 2.2 × 10 ist25 Jahre. Wir können daraus schließen, denn wenn die Halbwertszeit kürzer wäre, hätten wir erwartet, mindestens ein oder mehrere Ereignisse in CUORE zu sehen.
Kann CUORE verwendet werden, um andere Bereiche der Physik zu erforschen?
Ja. CUORE wurde entwickelt, um nach seltenen Ereignissen zu suchen, und hat daher das Potenzial, nach dunkler Materie zu suchen. Es wird erwartet, dass Teilchen der Dunklen Materie sehr selten mit den Detektormaterialien von CUORE interagieren, und dies würde die Freisetzung sehr geringer Energiemengen beinhalten. Die Suche nach dunkler Materie würde also von der großen Masse und langen Laufzeit des Experiments profitieren. Eine Suche nach dunkler Materie würde die Erforschung einer anderen Energieregion im Detektor beinhalten, und es gibt Gruppen von Physikern innerhalb der CUORE-Kollaboration, die diese Möglichkeit prüfen.
Hat der Kryo-Meilenstein von CUORE einen Einfluss auf die Quantencomputer?
Ich bin kein Experte für Quantencomputer, aber im Allgemeinen benötigen Festkörpergeräte, die Quanteninformationen verarbeiten, lange Quantenkohärenzzeiten. Wir wissen, dass Wärme und kosmogene Strahlung beide die Quantenkohärenzzeiten verkürzen. Unterirdische Experimente mit fortschrittlicher Kryotechnik bieten Schutz vor diesen negativen Auswirkungen. Während die Tellurdioxid-Kristalle von CUORE nicht für Quantencomputer verwendet werden können, könnte die Tatsache, dass wir mit einem sehr großen Kryostaten und mit sauberen Materialien einen so langen experimentellen Lauf unter Tage erreicht haben, möglicherweise sehr nützlich für die Entwicklung von Quantentechnologien sein.
Was wird die Zukunft für die CUORE-Kollaboration bringen?
CUORE läuft noch bis 2024 und wir arbeiten bereits am CUORE Upgrade mit Particle Identification – oder CUPID. Wir werden die derzeitigen Tellurdioxid-Kristalle von CUORE durch Lithiummolybdat-Kristalle ersetzen. Wenn Teilchen, die beim neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall entstehen, mit Lithiummolybdat interagieren, erzeugen sie sowohl Wärme als auch Licht. Dieses Licht wird zusammen mit der Wärme detektiert, und das Verhältnis von Wärme zu Licht wird es uns ermöglichen, Hintergrundereignisse zurückzuweisen, an denen Partikel beteiligt sind, die nicht durch neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall erzeugt werden. Die kryogene Struktur des Experiments wird ebenfalls verbessert.
