Físico Laura Marini es coordinador y jefe de obra del Observatorio Criogénico Subterráneo de Sucesos Raros (CUORE). Operado por una colaboración internacional, el experimento está situado en las profundidades de una montaña en la región italiana de Abruzzo en el Laboratorio Nacional Gran Sasso del Instituto Nacional de Física Nuclear. Marini recibió un doctorado en física de la Universidad de Génova en 2018 y luego hizo un posdoctorado en la Universidad de California, Berkeley. Comenzó a trabajar en CUORE durante su doctorado y hoy está afiliada al Instituto de Ciencias Gran Sasso de Italia y al laboratorio Gran Sasso. Marini habló con Richard Blaustein sobre su papel en CUORE y el hito reciente del experimento en su investigación en curso sobre si los neutrinos son partículas de Majorana.
¿Puede describir su doble rol en CUORE?
En este momento, soy el coordinador de ejecución de este experimento actual y el administrador del sitio para CUORE. Como coordinador de ejecución, me aseguro de que el experimento siga funcionando sin parar. Esto es importante porque estamos buscando eventos extremadamente raros, por lo que queremos tomar datos durante el mayor tiempo posible sin detenernos. Trabajo tanto en la parte criogénica del experimento como en la parte de recolección de datos. También trabajo para minimizar el nivel de ruido de fondo en el experimento, lo cual también es importante cuando se buscan eventos raros.
Mi rol de administrador del sitio es un poco más amplio que el de coordinador de ejecución. Manejo la interfaz entre el experimento y el Laboratorio Nacional Gran Sasso, coordino las actividades en el sitio y organizo el mantenimiento de todos los sistemas y subsistemas.
¿Puede describir CUORE y lo que busca medir?
CUORE busca eventos raros en la física y fue diseñado específicamente para buscar la desintegración beta doble sin neutrinos. Se espera que este proceso ocurra si los neutrinos son sus propias antipartículas, es decir, si son partículas de Majorana. Responder a esta pregunta es importante porque si se demuestra que los neutrinos son partículas de Majorana, se resolverá el misterio de por qué las masas de los neutrinos son tan pequeñas dentro del modelo estándar de la física de partículas.
Buscamos la desintegración doble beta sin neutrinos en el isótopo telurio-130 porque se sabe que sufre una desintegración doble beta ordinaria y tiene una gran abundancia natural. CUORE tiene 184 cristales de dióxido de telurio que se mantienen cerca de 10 mK dentro de un gran criostato. El criostato no utiliza helio líquido sino que tiene cinco crioenfriadores de tubo de pulso.
El experimento debe mantenerse a una temperatura muy baja porque buscamos la desintegración beta doble sin neutrinos al detectar el pequeño aumento de temperatura dentro de un cristal que se produce debido a la desintegración. Antes de CUORE, solo se podía enfriar un volumen y una masa experimentales pequeños, pero hemos aumentado esto enormemente al enfriar hasta 1.5 toneladas de material a la temperatura base. Otra ventaja de CUORE es que el experimento tiene una muy buena resolución de energía y opera en un rango de energía muy amplio, lo que debería ayudarlo a identificar eventos de descomposición.
¿Cuál es la importancia del logro reciente de CUORE de adquirir una “tonelada-año” de datos?
Tonelada-año se refiere a la masa del óxido de telurio que se monitorea multiplicada por el tiempo que el experimento recolectó datos. La masa es de 741 kg y los datos se adquirieron en ejecuciones que se realizaron entre 2017 y 2020. No todas las ejecuciones involucraron el uso de toda la masa, pero en total se recopilaron datos por valor de una tonelada-año.
Hay dos aspectos significativos en esto. Primero, esta es la primera vez que una masa tan grande se enfría en un criostato. En segundo lugar, debido a que pudimos realizar el experimento durante tanto tiempo, hemos demostrado que los calorímetros criogénicos son una forma viable de buscar la desintegración beta doble sin neutrinos.
¿Qué les dijo a usted y a sus colegas esta tonelada-año de datos?
Para ser claros, no hemos encontrado partículas de Majorana. En cambio, hemos podido establecer un límite inferior en la vida media de la desintegración beta doble sin neutrinos. Ahora sabemos que la vida media es mayor que 2.2 × 1025 años. Podemos concluir esto porque si la vida media fuera más corta, habríamos esperado ver al menos uno o más eventos en CUORE.
¿Se puede utilizar CUORE para explorar otras áreas de la física?
Sí. CUORE está diseñado para buscar eventos raros y, por lo tanto, tiene el potencial de buscar materia oscura. Se espera que las partículas de materia oscura interactúen muy raramente con los materiales del detector de CUORE y esto implicaría la liberación de cantidades muy pequeñas de energía. Por lo tanto, la búsqueda de materia oscura se beneficiaría de la gran masa y el largo tiempo de ejecución del experimento. Una búsqueda de materia oscura implicaría explorar otra región de energía en el detector y hay grupos de físicos dentro de la colaboración CUORE que buscan esa posibilidad.
¿El hito criogénico de CUORE tiene alguna relación con la computación cuántica?
No soy un experto en computación cuántica, pero en general, los dispositivos de estado sólido que procesan información cuántica requieren largos tiempos de coherencia cuántica. Sabemos que el calor y la radiación cosmogénica reducen los tiempos de coherencia cuántica. Ejecutar experimentos bajo tierra con criogenia avanzada ofrece protección contra estos efectos negativos. Si bien los cristales de dióxido de telurio de CUORE no se pueden usar para la computación cuántica, el hecho de que hayamos logrado una carrera experimental tan larga bajo tierra con un criostato muy grande y con materiales limpios podría ser potencialmente muy útil para el desarrollo de tecnologías cuánticas.
¿Qué traerá el futuro para la colaboración CUORE?
CUORE funcionará hasta 2024 y ya estamos trabajando en la actualización de CUORE con identificación de partículas, o CUPID. Reemplazaremos los cristales de dióxido de telurio actuales de CUORE con cristales de molibdato de litio. Cuando las partículas producidas en la desintegración doble beta sin neutrinos interactúan con el molibdato de litio, producen calor y luz. Esta luz se detectará junto con el calor, y la proporción de calor a luz nos permitirá rechazar eventos de fondo que involucran partículas que no son producidas por la desintegración beta doble sin neutrinos. También se mejorará la estructura criogénica del experimento.
