Φυσικός Λάουρα Μαρίνη είναι συντονιστής και υπεύθυνος τοποθεσίας του Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE). Με διεθνή συνεργασία, το πείραμα βρίσκεται βαθιά κάτω από ένα βουνό στην περιοχή Abruzzo της Ιταλίας στο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής. Ο Μαρίνι έλαβε διδακτορικό στη φυσική από το Πανεπιστήμιο της Γένοβας το 2018 και στη συνέχεια έκανε μεταδιδακτορικό στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. Άρχισε να εργάζεται στο CUORE κατά τη διάρκεια του διδακτορικού της και σήμερα είναι συνδεδεμένη με το Ινστιτούτο Επιστημών Gran Sasso της Ιταλίας και το εργαστήριο Gran Sasso. Η Marini μίλησε στον Richard Blaustein για το ρόλο της στο CUORE και για το πρόσφατο ορόσημο του πειράματος στη συνεχιζόμενη έρευνα για το εάν τα νετρίνα είναι σωματίδια Majorana.
Μπορείτε να περιγράψετε τον διπλό σας ρόλο στο CUORE;
Αυτήν τη στιγμή, είμαι συντονιστής για αυτό το τρέχον πείραμα και διαχειριστής ιστότοπου για το CUORE. Ως συντονιστής εκτέλεσης, διασφαλίζω ότι το πείραμα συνεχίζει να εκτελείται χωρίς διακοπή. Αυτό είναι σημαντικό γιατί αναζητούμε εξαιρετικά σπάνια συμβάντα, επομένως θέλουμε να λαμβάνουμε δεδομένα για όσο το δυνατόν περισσότερο χωρίς διακοπή. Εργάζομαι τόσο στο κρυογονικό μέρος του πειράματος όσο και στο κομμάτι της συλλογής δεδομένων. Εργάζομαι επίσης για την ελαχιστοποίηση του επιπέδου θορύβου περιβάλλοντος στο πείραμα – κάτι που είναι επίσης σημαντικό όταν αναζητάτε σπάνια συμβάντα.
Ο ρόλος του διαχειριστή του ιστότοπού μου είναι λίγο ευρύτερος από τον συντονιστή εκτέλεσης. Διαχειρίζομαι τη διεπαφή μεταξύ του πειράματος και του Εθνικού Εργαστηρίου Gran Sasso, συντονίζω τις επιτόπιες δραστηριότητες και οργανώνω τη συντήρηση όλων των συστημάτων και υποσυστημάτων.
Μπορείτε να περιγράψετε το CUORE και τι επιδιώκει να μετρήσει;
Το CUORE αναζητά σπάνια γεγονότα στη φυσική και σχεδιάστηκε ειδικά για την αναζήτηση διπλής διάσπασης βήτα χωρίς νετρίνα. Αυτή η διαδικασία αναμένεται να συμβεί εάν τα νετρίνα είναι τα δικά τους αντισωματίδια – δηλαδή, εάν είναι σωματίδια Majorana. Η απάντηση σε αυτή την ερώτηση είναι σημαντική γιατί αν αποδειχθεί ότι τα νετρίνα είναι σωματίδια Majorana, θα λυθεί το μυστήριο του γιατί οι μάζες των νετρίνων είναι τόσο μικρές στο Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων.
Αναζητούμε διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνη στο ισότοπο τελλούριο-130 επειδή είναι γνωστό ότι υφίσταται συνηθισμένη διπλή βήτα διάσπαση και έχει υψηλή φυσική αφθονία. Το CUORE έχει 184 κρυστάλλους διοξειδίου του τελλουρίου που διατηρούνται κοντά σε 10 mK μέσα σε έναν μεγάλο κρυοστάτη. Ο κρυοστάτης δεν χρησιμοποιεί υγρό ήλιο, αλλά έχει πέντε κρυοψύκτες με σωλήνες παλμού.
Το πείραμα πρέπει να διατηρείται σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία, επειδή αναζητούμε διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνη, ανιχνεύοντας τη μικροσκοπική αύξηση της θερμοκρασίας μέσα σε έναν κρύσταλλο που συμβαίνει λόγω της διάσπασης. Πριν από το CUORE, μόνο ένας μικρός πειραματικός όγκος και μάζα θα μπορούσαν να ψυχθούν, αλλά το έχουμε αυξήσει τρομερά ψύχοντας έως και 1.5 τόνο υλικού σε θερμοκρασία βάσης. Ένα άλλο πλεονέκτημα του CUORE είναι ότι το πείραμα έχει πολύ καλή ενεργειακή ανάλυση και λειτουργεί σε ένα πολύ μεγάλο εύρος ενέργειας – το οποίο θα το βοηθήσει να εντοπίσει συμβάντα αποσύνθεσης.
Ποια είναι η σημασία του πρόσφατου επιτεύγματος της CUORE για την απόκτηση ενός «τόνου-έτος» δεδομένων;
Το τονολογικό έτος αναφέρεται στη μάζα του οξειδίου του τελλουρίου που παρακολουθείται πολλαπλασιαζόμενη επί το χρονικό διάστημα που το πείραμα συνέλεξε δεδομένα. Η μάζα είναι 741 kg και τα δεδομένα λήφθηκαν σε διαδρομές που έγιναν μεταξύ 2017 και 2020. Δεν περιελάμβανε κάθε διαδρομή χρησιμοποιώντας ολόκληρη τη μάζα, αλλά όλα μαζί συλλέχθηκαν δεδομένα αξίας ενός τόνου έτους
Υπάρχουν δύο σημαντικές πτυχές σε αυτό. Πρώτον, αυτή είναι η πρώτη φορά που μια τόσο μεγάλη μάζα ψύχεται σε κρυοστάτη. Δεύτερον, επειδή μπορέσαμε να εκτελέσουμε το πείραμα για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα, δείξαμε ότι τα κρυογονικά θερμιδόμετρα είναι ένας βιώσιμος τρόπος αναζήτησης διπλής διάσπασης βήτα χωρίς νετρίνη.
Τι είπε σε εσάς και τους συναδέλφους σας αυτά τα δεδομένα ενός τόνου;
Για να είμαστε σαφείς, δεν έχουμε βρει σωματίδια Majorana. Αντίθετα, μπορέσαμε να θέσουμε ένα χαμηλότερο όριο στον χρόνο ημιζωής της διπλής διάσπασης βήτα χωρίς νετρίνη. Τώρα γνωρίζουμε ότι ο χρόνος ημιζωής είναι μεγαλύτερος από 2.2×1025 χρόνια. Μπορούμε να συμπεράνουμε αυτό γιατί αν ο χρόνος ημιζωής ήταν μικρότερος, θα περιμέναμε να δούμε τουλάχιστον ένα ή περισσότερα συμβάντα στο CUORE.
Μπορεί το CUORE να χρησιμοποιηθεί για την εξερεύνηση άλλων τομέων της φυσικής;
Ναί. Το CUORE έχει σχεδιαστεί για την αναζήτηση σπάνιων γεγονότων και επομένως έχει τη δυνατότητα να αναζητήσει σκοτεινή ύλη. Τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης αναμένεται να αλληλεπιδράσουν με τα υλικά ανιχνευτή του CUORE πολύ σπάνια και αυτό θα συνεπαγόταν την απελευθέρωση πολύ μικρών ποσοτήτων ενέργειας. Έτσι, η αναζήτηση της σκοτεινής ύλης θα ωφεληθεί από τη μεγάλη μάζα και τον μακροχρόνιο χρόνο του πειράματος. Μια αναζήτηση σκοτεινής ύλης θα περιλάμβανε την εξερεύνηση μιας άλλης ενεργειακής περιοχής στον ανιχνευτή και υπάρχουν ομάδες φυσικών στη συνεργασία CUORE που εξετάζουν αυτή τη δυνατότητα.
Το κρυογονικό ορόσημο του CUORE έχει κάποια σχέση με τον κβαντικό υπολογισμό;
Δεν είμαι ειδικός στον κβαντικό υπολογισμό, αλλά γενικά, οι συσκευές στερεάς κατάστασης που επεξεργάζονται κβαντικές πληροφορίες απαιτούν μεγάλους χρόνους κβαντικής συνοχής. Γνωρίζουμε ότι η θερμότητα και η κοσμογονική ακτινοβολία μειώνουν και τους δύο χρόνους κβαντικής συνοχής. Η εκτέλεση πειραμάτων υπόγεια με προηγμένα κρυογονικά προσφέρει προστασία από αυτές τις αρνητικές επιπτώσεις. Ενώ οι κρύσταλλοι διοξειδίου του τελλουρίου του CUORE δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για κβαντικούς υπολογισμούς, το γεγονός ότι έχουμε επιτύχει μια τόσο μακρά πειραματική λειτουργία υπόγεια με έναν πολύ μεγάλο κρυοστάτη και με καθαρά υλικά θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι πολύ χρήσιμο για την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών.
Τι θα φέρει το μέλλον για τη συνεργασία CUORE;
Το CUORE θα λειτουργεί μέχρι το 2024 και ήδη εργαζόμαστε για την αναβάθμιση CUORE με αναγνώριση σωματιδίων – ή CUPID. Θα αντικαταστήσουμε τους τρέχοντες κρυστάλλους διοξειδίου του τελλουρίου της CUORE με κρυστάλλους μολυβδαινικού λιθίου. Όταν τα σωματίδια που παράγονται στη διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνη αλληλεπιδρούν με το μολυβδαινικό λίθιο, παράγουν τόσο θερμότητα όσο και φως. Αυτό το φως θα ανιχνευθεί μαζί με τη θερμότητα και η αναλογία θερμότητας προς φως θα μας επιτρέψει να απορρίψουμε γεγονότα φόντου που αφορούν σωματίδια που δεν παράγονται από τη διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνη. Η κρυογονική δομή του πειράματος θα αναβαθμιστεί επίσης.
