Fyysikko Laura Marini on Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) -koordinaattori ja -paikkajohtaja. Kansainvälisellä yhteistyöllä toteutettu koe sijaitsee syvällä vuoren alla Italian Abruzzon alueella National Institute of Nuclear Physicsin Gran Sasson kansallisessa laboratoriossa. Marini suoritti tohtorintutkinnon fysiikasta Genovan yliopistosta vuonna 2018 ja suoritti sitten postdoc Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä. Hän aloitti työskentelyn CUOREn parissa tohtorintutkinnon aikana, ja nykyään hän on sidoksissa Italian Gran Sasso Science Instituteen ja Gran Sasso -laboratorioon. Marini puhui Richard Blausteinille roolistaan CUOREssa ja kokeen viimeaikaisesta virstanpylväästä sen meneillään olevassa tutkimuksessa siitä, ovatko neutriinot Majorana-hiukkasia.
Voitko kuvailla kaksoisrooliasi CUOREssa?
Tällä hetkellä olen tämän nykyisen kokeilun koordinaattori ja CUOREn sivustovastaava. Ajokoordinaattorina varmistan, että kokeilu jatkuu pysähtymättä. Tämä on tärkeää, koska etsimme äärimmäisen harvinaisia tapahtumia, joten haluamme kerätä tietoja mahdollisimman pitkään pysähtymättä. Työskentelen sekä kokeen kryogeenisen osan että tiedonkeruuosan parissa. Pyrin myös minimoimaan taustamelutason kokeessa – mikä on tärkeää myös harvinaisten tapahtumien etsimisessä.
Työmaavastaavan roolini on hieman laajempi kuin johtamiskoordinaattori. Hoidan kokeen ja Gran Sasso National Laboratoryn välisen rajapinnan, koordinoin paikan päällä tapahtuvaa toimintaa ja järjestän kaikkien järjestelmien ja osajärjestelmien ylläpidon.
Voitko kuvailla CUOREa ja mitä se pyrkii mittaamaan?
CUORE etsii harvinaisia fysiikan tapahtumia, ja se on erityisesti suunniteltu etsimään neutriinitonta kaksoisbeetahajoamista. Tämän prosessin odotetaan tapahtuvan, jos neutriinot ovat omia antihiukkasiaan – eli jos ne ovat Majorana-hiukkasia. Tähän kysymykseen vastaaminen on tärkeää, koska jos neutriinojen osoitetaan olevan Majorana-hiukkasia, mysteeri, miksi neutriinojen massat ovat niin pieniä hiukkasfysiikan vakiomallissa, ratkaistaan.
Etsimme neutriinitonta kaksinkertaista beetahajoamista isotoopista telluuri-130, koska sen tiedetään läpikäyvän tavallisen kaksoisbeetahajoamisen ja sen luonnollinen runsaus. CUOREssa on 184 telluuridioksidikidettä, joita pidetään lähellä 10 mK:ta suuressa kryostaatissa. Kryostaatti ei käytä nestemäistä heliumia, vaan siinä on viisi pulssiputken kryojäähdytintä.
Koe on pidettävä erittäin alhaisessa lämpötilassa, koska etsimme neutriinitonta kaksinkertaista beeta-hajoamista havaitsemalla pienen lämpötilan nousun kiteen sisällä, joka tapahtuu hajoamisen vuoksi. Ennen CUOREa vain pieni kokeellinen tilavuus ja massa pystyttiin jäähdyttämään, mutta olemme lisänneet tätä valtavasti jäähdyttämällä jopa 1.5 tonnia materiaalia peruslämpötilaan. Toinen CUOREn etu on se, että kokeessa on erittäin hyvä energiaresoluutio ja se toimii erittäin laajalla energia-alueella – minkä pitäisi auttaa sitä tunnistamaan hajoamistapahtumat.
Mitä merkitystä on CUOREn äskettäisellä saavutuksella hankkia "tonnivuoden" dataa?
Tonnivuosi tarkoittaa tarkkailtavan telluurioksidin massaa kerrottuna ajanjaksolla, jonka kokeessa kerättiin tietoja. Paino on 741 kg ja tiedot on hankittu ajoissa, jotka tehtiin vuosina 2017-2020. Jokaisella ajolla ei käytetty koko massaa, mutta yhteensä kerättiin yhden tonnin vuoden verran dataa.
Tässä on kaksi merkittävää näkökohtaa. Ensinnäkin tämä on ensimmäinen kerta, kun niin suuri massa on jäähdytetty kryostaatissa. Toiseksi, koska pystyimme ajamaan koetta niin pitkän ajan, olemme osoittaneet, että kryogeeniset kalorimetrit ovat käyttökelpoinen tapa etsiä neutriinitonta kaksinkertaista beetahajoamista.
Mitä nämä tonnivuoden tiedot kertoivat sinulle ja kollegoillesi?
Selvyyden vuoksi emme ole löytäneet Majorana-hiukkasia. Sen sijaan olemme pystyneet asettamaan alarajan neutriinittoman kaksoisbeetahajoamisen puoliintumisajalle. Tiedämme nyt, että puoliintumisaika on suurempi kuin 2.2 × 1025 vuotta. Voimme päätellä tämän, koska jos puoliintumisaika olisi lyhyempi, olisimme odottaneet näkevän ainakin yhden tai useamman tapahtuman CUOREssa.
Voidaanko CUOREa käyttää muiden fysiikan alojen tutkimiseen?
Joo. CUORE on suunniteltu etsimään harvinaisia tapahtumia ja siksi sillä on potentiaalia etsiä pimeää ainetta. Pimeän aineen hiukkasten odotetaan olevan vuorovaikutuksessa CUOREn ilmaisinmateriaalien kanssa hyvin harvoin, mikä johtaisi erittäin pienten energiamäärien vapautumiseen. Joten pimeän aineen etsintä hyötyisi kokeen suuresta massasta ja pitkästä käyttöajasta. Pimeän aineen etsintä edellyttäisi toisen energia-alueen tutkimista detektorissa, ja CUORE-yhteistyössä on fyysikkoryhmiä, jotka tarkastelevat tätä mahdollisuutta.
Onko CUOREn kryogeenisellä virstanpylväällä vaikutusta kvanttilaskentaan?
En ole kvanttilaskennan asiantuntija, mutta yleisesti ottaen kvanttitietoa käsittelevät solid-state-laitteet vaativat pitkiä kvanttikoherenssiaikoja. Tiedämme, että lämpö ja kosmogeeninen säteily lyhentävät kvanttikoherenssiaikoja. Kokeiden suorittaminen maan alla edistyneellä kryogeniikalla tarjoaa suojaa näiltä negatiivisilta vaikutuksilta. Vaikka CUOREn telluuridioksidikiteitä ei voida käyttää kvanttilaskentaan, se tosiasia, että olemme saavuttaneet niin pitkän kokeen maan alla erittäin suurella kryostaatilla ja puhtailla materiaaleilla, voi olla erittäin hyödyllistä kvanttiteknologioiden kehittämisessä.
Mitä tulevaisuus tuo tullessaan CUORE-yhteistyölle?
CUORE toimii vuoteen 2024 asti, ja työskentelemme jo CUORE-päivityksen particle Identificationilla eli CUPIDilla. Korvaamme CUOREn nykyiset telluuridioksidikiteet litiummolybdaattikiteillä. Kun neutriinittomassa kaksinkertaisessa beetahajoamisessa syntyvät hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa litiummolybdaatin kanssa, ne tuottavat sekä lämpöä että valoa. Tämä valo havaitaan yhdessä lämmön kanssa, ja lämmön ja valon suhde antaa meille mahdollisuuden hylätä taustatapahtumat, joihin liittyy hiukkasia, joita ei synny neutriinittomalla kaksoisbeetan hajoamisella. Myös kokeen kryogeenistä rakennetta päivitetään.
