Füüsik Laura Marini on haruldaste sündmuste krüogeense maa-aluse vaatluskeskuse (CUORE) koordinaator ja objektijuht. Rahvusvahelise koostöö käigus korraldatud eksperiment asub sügaval mäe all Itaalias Abruzzo piirkonnas riikliku tuumafüüsika instituudi Gran Sasso riiklikus laboris. Marini sai 2018. aastal Genova ülikoolist doktorikraadi füüsikas ja seejärel järeldoktori California ülikoolis Berkeleys. Ta alustas CUORE-ga töötamist doktorikraadi ajal ja täna on ta seotud Itaalia Gran Sasso teadusinstituudi ja Gran Sasso laboriga. Marini rääkis Richard Blausteiniga tema rollist CUORE-s ja katse hiljutisest verstapostist käimasolevas uurimises, kas neutriinod on Majorana osakesed.
Kas saate kirjeldada oma topeltrolli CUORE-s?
Praegu olen selle praeguse katse koordinaator ja CUORE saidihaldur. Käivitamise koordinaatorina hoolitsen selle eest, et katse jätkuks ilma peatumata. See on oluline, kuna otsime üliharuldasi sündmusi, mistõttu soovime koguda andmeid peatumata nii kaua kui võimalik. Töötan nii katse krüogeense kui ka andmete kogumise osa kallal. Samuti tegelen katses taustamüra taseme minimeerimisega – see on oluline ka haruldaste sündmuste otsimisel.
Minu saidihalduri roll on natuke laiem kui jooksukoordinaator. Hooldan eksperimendi ja Gran Sasso riikliku labori vahelist liidest, koordineerin kohapealseid tegevusi ning korraldan kõigi süsteemide ja alamsüsteemide hooldust.
Kas saate kirjeldada CUORE-t ja seda, mida see mõõta soovib?
CUORE otsib füüsikas haruldasi sündmusi ja see oli spetsiaalselt loodud neutriinivaba topelt-beeta lagunemise otsimiseks. See protsess peaks toimuma siis, kui neutriinod on nende endi antiosakesed, st kui nad on Majorana osakesed. Sellele küsimusele vastamine on oluline, sest kui tõestatakse, et neutriinod on Majorana osakesed, lahendatakse mõistatus, miks neutriino massid on osakeste füüsika standardmudelis nii väikesed.
Otsime isotoobis telluurium-130 neutriinivaba topelt-beetalagunemist, kuna teadaolevalt läbib see tavalist topelt-beetalagunemist ja sellel on suur looduslik arvukus. CUORE-l on 184 telluurdioksiidi kristalli, mida hoitakse suures krüostaadis 10 mK lähedal. Krüostaat ei kasuta vedelat heeliumi, vaid sellel on viis impulsstoruga krüojahutit.
Eksperimenti tuleb hoida väga madalal temperatuuril, sest me otsime neutriinovaba topelt-beeta-lagunemist, tuvastades kristalli temperatuuri väikese tõusu, mis tekib lagunemise tõttu. Enne CUORE-t oli võimalik jahutada vaid väikest katsemahtu ja massi, kuid oleme seda tohutult suurendanud, jahutades baastemperatuuril kuni 1.5 tonni materjali. Teine CUORE eelis on see, et katsel on väga hea energiaeraldusvõime ja see toimib väga laias energiavahemikus – mis peaks aitama tuvastada lagunemissündmusi.
Mis tähtsus on CUORE hiljutisel saavutusel hankida "tonn-aasta" andmeid?
Tonnaasta viitab jälgitava telluuroksiidi massile, mis on korrutatud ajaga, mille jooksul katse andmeid kogus. Mass on 741 kg ja andmed saadi jooksudel, mis tehti aastatel 2017–2020. Iga jooks ei hõlmanud kogu massi, vaid kokku koguti ühe tonni aasta andmeid.
Sellel on kaks olulist aspekti. Esiteks on see esimene kord, kui nii suurt massi krüostaadis jahutatakse. Teiseks, kuna saime katset nii pikka aega läbi viia, oleme näidanud, et krüogeensed kalorimeetrid on elujõuline viis neutriinivaba topelt-beeta lagunemise otsimiseks.
Mida need tonni-aasta andmed teile ja teie kolleegidele ütlesid?
Et olla selge, me ei leidnud Majorana osakesi. Selle asemel oleme suutnud seada neutriinivaba topelt-beetalagunemise poolestusajale madalama piiri. Nüüd teame, et poolväärtusaeg on suurem kui 2.2 × 1025 aastat. Võime selle järeldada, sest kui poolväärtusaeg oleks lühem, oleksime oodanud CUORE-s vähemalt üht või mitut sündmust.
Kas CUORE-t saab kasutada teiste füüsikavaldkondade uurimiseks?
Jah. CUORE on loodud haruldaste sündmuste otsimiseks ja seetõttu on sellel potentsiaal otsida tumeainet. Tumeaine osakesed interakteeruvad CUORE detektori materjalidega eeldatavasti väga harva ja sellega kaasneb väga väikese energiakoguse vabanemine. Seega oleks tumeaine otsimisel kasu katse suurest massist ja pikast tööajast. Tumeaine otsing hõlmaks detektori teise energiapiirkonna uurimist ja CUORE koostöös on füüsikute rühmad, kes seda võimalust uurivad.
Kas CUORE krüogeensel verstapostil on kvantandmetöötlusele mingi mõju?
Ma ei ole kvantarvutuse ekspert, kuid üldiselt vajavad kvantinformatsiooni töötlevad tahkisseadmed pikki kvantsidususe aegu. Teame, et nii soojus kui ka kosmogeenne kiirgus vähendavad kvantsidususe aegu. Nende negatiivsete mõjude eest kaitseb maa all katsete läbiviimine täiustatud krüogeenikaga. Kuigi CUORE telluurdioksiidi kristalle ei saa kvantarvutustes kasutada, võib tõsiasi, et oleme saavutanud maa all nii pika katsejooksu väga suure krüostaadi ja puhaste materjalidega, võib olla kvanttehnoloogiate arendamisel väga kasulik.
Mida toob tulevik CUORE koostööle?
CUORE töötab kuni 2024. aastani ja me töötame juba osakeste tuvastamise ehk CUPID-iga CUORE versiooniuuenduse kallal. Asendame CUORE praegused telluurdioksiidi kristallid liitiummolübdaadi kristallidega. Kui neutriinivaba topelt-beeta-lagunemise käigus tekkivad osakesed interakteeruvad liitiummolübdaadiga, toodavad nad nii soojust kui ka valgust. See valgus tuvastatakse koos kuumusega ning soojuse ja valguse suhe võimaldab meil tagasi lükata taustsündmused, mis hõlmavad osakesi, mida ei tekita neutriinivaba topelt-beeta-lagunemine. Uuendatakse ka katse krüogeenset struktuuri.
