Fizikus Laura Marini a Ritka Események Kriogén Underground Observatory for Rare Events (CUORE) koordinátora és helyszíni vezetője. A nemzetközi együttműködéssel működtetett kísérlet egy hegy mélyén, Olaszország Abruzzo régiójában, az Országos Nukleáris Fizikai Intézet Gran Sasso Nemzeti Laboratóriumában található. Marini 2018-ban PhD fokozatot szerzett fizikából a Genovai Egyetemen, majd a Kaliforniai Egyetemen, Berkeleyben posztdoktori diplomát szerzett. Doktori tanulmánya alatt kezdett el dolgozni a CUORE-n, ma pedig az olasz Gran Sasso Tudományos Intézethez és a Gran Sasso laboratóriumhoz kötődik. Marini beszélt Richard Blausteinnel a CUORE-nál betöltött szerepéről és a kísérlet közelmúltbeli mérföldkövéről annak a folyamatban lévő vizsgálatában, hogy a neutrínók Majorana-részecskék-e.
Leírnád kettős szerepét a CUORE-nál?
Jelenleg ennek a kísérletnek a koordinátora és a CUORE helykezelője vagyok. Futáskoordinátorként gondoskodom arról, hogy a kísérlet megállás nélkül fusson. Ez azért fontos, mert rendkívül ritka eseményeket keresünk, ezért szeretnénk minél tovább adatot venni megállás nélkül. Mind a kísérlet kriogén, mind az adatgyűjtési részén dolgozom. A kísérletben a háttérzaj szintjének minimalizálásán is dolgozom – ami szintén fontos, ha ritka eseményeket keresünk.
Helyszínkezelői szerepköröm kicsit szélesebb, mint a futáskoordinátor. Kezelem a kísérlet és a Gran Sasso National Laboratory közötti interfészt, koordinálom a helyszíni tevékenységeket és szervezem az összes rendszer és alrendszer karbantartását.
Leírnád a CUORE-t és azt, hogy mit akar mérni?
A CUORE a fizikában ritka eseményeket keres, és kifejezetten a neutrínó nélküli kettős béta-bomlás keresésére tervezték. Ez a folyamat várhatóan akkor megy végbe, ha a neutrínók a saját anti-részecskék – vagyis ha Majorana részecskék. A kérdés megválaszolása azért fontos, mert ha bebizonyosodik, hogy a neutrínók Majorana részecskék, akkor megoldódik a rejtély, hogy miért olyan kicsi a neutrínó tömege a részecskefizikai standard modellen belül.
A neutrínó nélküli kettős béta-bomlást a tellúr-130 izotópban keressük, mivel ismert, hogy közönséges kettős béta-bomláson megy keresztül, és nagy a természetes előfordulása. A CUORE 184 tellúr-dioxid kristályt tartalmaz, amelyeket 10 mK közelében tartanak egy nagy kriosztátban. A kriosztát nem használ folyékony héliumot, hanem öt impulzuscsöves kriohűtővel rendelkezik.
A kísérletet nagyon alacsony hőmérsékleten kell tartani, mert a neutrínó nélküli kettős béta-bomlást úgy keressük, hogy detektáljuk a kristályon belül a bomlás következtében fellépő apró hőmérsékletnövekedést. A CUORE előtt csak kis kísérleti térfogatot és tömeget tudtunk lehűteni, de ezt jelentősen megnöveltük azzal, hogy akár 1.5 tonna anyagot hűtöttünk le alaphőmérsékleten. A CUORE másik előnye, hogy a kísérlet nagyon jó energiafelbontással rendelkezik, és nagyon széles energiatartományban működik – ami segít azonosítani a bomlási eseményeket.
Mi a jelentősége a CUORE közelmúltban elért eredményeinek, miszerint „tonna-év” adatot gyűjtött össze?
A tonnaév a megfigyelt tellúr-oxid tömegét szorozva azzal az időtartammal, ameddig a kísérlet adatokat gyűjtött. A tömeg 741 kg, és az adatokat 2017 és 2020 között végzett futtatások során gyűjtötték össze. Nem minden futásban a teljes tömeget használták, de összességében egy tonna évnyi adatot gyűjtöttek.
Ennek két lényeges aspektusa van. Először is, ez az első alkalom, hogy ekkora tömeget hűtöttek le kriosztátban. Másodszor, mivel ilyen hosszú ideig tudtuk futtatni a kísérletet, megmutattuk, hogy a kriogén kaloriméterek életképes módszert jelentenek a neutrínó nélküli kettős béta-bomlás keresésére.
Mit árult el ez a tonnaévnyi adat önnek és kollégáinak?
Az egyértelműség kedvéért nem találtunk Majorana részecskéket. Ehelyett sikerült egy alsó határt beállítani a neutrínó nélküli kettős béta-bomlás felezési idejére. Ma már tudjuk, hogy a felezési idő nagyobb, mint 2.2 × 1025 évek. Ezt azért vonhatjuk le, mert ha a felezési idő rövidebb lenne, akkor legalább egy vagy több eseményt vártunk volna a CUORE-ban.
Használható-e a CUORE a fizika más területeinek felfedezésére?
Igen. A CUORE-t úgy tervezték, hogy ritka eseményeket keressen, ezért megvan a lehetősége a sötét anyag keresésére. A sötét anyag részecskéi várhatóan nagyon ritkán lépnek kölcsönhatásba a CUORE detektoranyagaival, és ez nagyon kis mennyiségű energia felszabadulásával járna. Tehát a sötét anyag keresése előnyös lenne a kísérlet nagy tömegéből és hosszú futási idejéből. A sötét anyag kutatása egy másik energiaterület feltárását jelentené a detektorban, és a CUORE együttműködésen belül vannak fizikusok csoportjai, akik ezt a lehetőséget vizsgálják.
A CUORE kriogén mérföldkövének van valami hatása a kvantumszámításra?
Nem vagyok szakértő a kvantumszámításban, de általában a kvantuminformációkat feldolgozó szilárdtest-eszközök hosszú kvantumkoherencia időket igényelnek. Tudjuk, hogy a hő és a kozmogén sugárzás egyaránt csökkenti a kvantumkoherencia idejét. A föld alatt végzett kísérletek fejlett kriogenikával védelmet nyújtanak ezekkel a negatív hatásokkal szemben. Míg a CUORE tellúr-dioxid kristályai nem használhatók kvantumszámításhoz, az a tény, hogy ilyen hosszú kísérleti futást értünk el a föld alatt egy nagyon nagy kriosztáttal és tiszta anyagokkal, potenciálisan nagyon hasznos lehet a kvantumtechnológiák fejlesztéséhez.
Mit hoz a jövő a CUORE együttműködés számára?
A CUORE 2024-ig fog működni, és már dolgozunk a CUORE frissítésen a részecskeazonosítással – vagy CUPID-dal. A CUORE jelenlegi tellúr-dioxid kristályait lítium-molibdát kristályokra cseréljük. Amikor a neutrínó nélküli kettős béta-bomlás során keletkező részecskék kölcsönhatásba lépnek a lítium-molibdáttal, hőt és fényt is termelnek. Ezt a fényt a hővel együtt észleljük, és a hő-fény arány lehetővé teszi számunkra, hogy elutasítsuk azokat a háttéreseményeket, amelyek olyan részecskékkel kapcsolatosak, amelyek nem a neutrínó nélküli kettős béta-bomlás során keletkeznek. A kísérlet kriogén szerkezetét is korszerűsítik.
