Fisico Laura Marino è coordinatore e direttore di cantiere del Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE). Gestito da una collaborazione internazionale, l'esperimento si trova nelle profondità di una montagna in Abruzzo presso il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Marini ha conseguito un dottorato di ricerca in fisica presso l'Università di Genova nel 2018 e poi ha svolto un postdoc presso l'Università della California, Berkeley. Ha iniziato a lavorare su CUORE durante il suo dottorato di ricerca e oggi è affiliata al Gran Sasso Science Institute e al Gran Sasso lab. Marini ha parlato con Richard Blaustein del suo ruolo in CUORE e della recente pietra miliare dell'esperimento nella sua indagine in corso per stabilire se i neutrini siano particelle di Majorana.
Puoi descrivere il tuo duplice ruolo in CUORE?
In questo momento, sono coordinatore di esecuzione per questo esperimento in corso e responsabile del sito per CUORE. In qualità di coordinatore della corsa, mi assicuro che l'esperimento continui senza interruzioni. Questo è importante perché stiamo cercando eventi estremamente rari, quindi vogliamo prendere i dati il più a lungo possibile senza fermarci. Lavoro sia sulla parte criogenica dell'esperimento che sulla parte di raccolta dei dati. Lavoro anche per ridurre al minimo il livello di rumore di fondo nell'esperimento, che è importante anche quando si cercano eventi rari.
Il mio ruolo di site manager è un po' più ampio di quello di run coordinator. Mi occupo dell'interfaccia tra l'esperimento e il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso, coordino le attività in loco e organizzo la manutenzione di tutti i sistemi e sottosistemi.
Puoi descrivere CUORE e cosa cerca di misurare?
CUORE cerca eventi rari in fisica ed è stato specificamente progettato per cercare il doppio decadimento beta senza neutrini. Questo processo dovrebbe verificarsi se i neutrini sono le loro stesse antiparticelle, cioè se sono particelle di Majorana. Rispondere a questa domanda è importante perché se si dimostra che i neutrini sono particelle di Majorana, il mistero del perché le masse dei neutrini sono così piccole all'interno del Modello Standard della fisica delle particelle sarà risolto.
Cerchiamo il doppio decadimento beta senza neutrini nell'isotopo tellurio-130 perché è noto che subisce il normale decadimento doppio beta e ha un'elevata abbondanza naturale. CUORE ha 184 cristalli di biossido di tellurio che sono tenuti vicino a 10 mK all'interno di un grande criostato. Il criostato non utilizza elio liquido ma ha cinque criorefrigeratori a tubo a impulsi.
L'esperimento deve essere mantenuto a una temperatura molto bassa perché ricerchiamo il doppio decadimento beta senza neutrini rilevando il minuscolo aumento di temperatura all'interno di un cristallo che si verifica a causa del decadimento. Prima di CUORE, solo un piccolo volume e massa sperimentali potevano essere raffreddati, ma lo abbiamo aumentato enormemente raffreddando fino a 1.5 tonnellate di materiale alla temperatura di base. Un altro vantaggio di CUORE è che l'esperimento ha un'ottima risoluzione energetica e opera su un intervallo di energia molto ampio, il che dovrebbe aiutarlo a identificare gli eventi di decadimento.
Qual è il significato del recente traguardo di CUORE di acquisire una “tonnellata-anno” di dati?
La tonnellata-anno si riferisce alla massa dell'ossido di tellurio monitorato moltiplicata per il periodo di tempo in cui l'esperimento ha raccolto i dati. La massa è di 741 kg e i dati sono stati acquisiti in esecuzioni effettuate tra il 2017 e il 2020. Non tutte le esecuzioni hanno coinvolto l'utilizzo dell'intera massa, ma sono stati raccolti tutti insieme dati per un valore di una tonnellata all'anno
Ci sono due aspetti significativi in questo. Innanzitutto, questa è la prima volta che una massa così grande viene raffreddata in un criostato. In secondo luogo, poiché siamo stati in grado di eseguire l'esperimento per così tanto tempo, abbiamo dimostrato che i calorimetri criogenici sono un modo praticabile per cercare il doppio decadimento beta senza neutrini.
Cosa ha detto a te e ai tuoi colleghi questa tonnellata di dati?
Per essere chiari, non abbiamo trovato particelle di Majorana. Invece, siamo stati in grado di fissare un limite inferiore all'emivita del doppio decadimento beta senza neutrini. Ora sappiamo che l'emivita è maggiore di 2.2×1025 anni. Possiamo concludere questo perché se l'emivita fosse stata più breve, ci saremmo aspettati di vedere almeno uno o più eventi in CUORE.
CUORE può essere utilizzato per esplorare altre aree della fisica?
Sì. CUORE è progettato per cercare eventi rari e quindi ha il potenziale per cercare la materia oscura. Si prevede che le particelle di materia oscura interagiscano con i materiali del rivelatore di CUORE molto raramente e ciò comporterebbe il rilascio di quantità molto piccole di energia. Quindi, la ricerca della materia oscura trarrebbe vantaggio dalla grande massa dell'esperimento e dal lungo periodo di tempo. Una ricerca sulla materia oscura comporterebbe l'esplorazione di un'altra regione energetica nel rivelatore e ci sono gruppi di fisici all'interno della collaborazione CUORE che stanno esaminando questa possibilità.
La pietra miliare criogenica di CUORE ha qualche relazione con il calcolo quantistico?
Non sono un esperto di calcolo quantistico, ma in generale i dispositivi a stato solido che elaborano informazioni quantistiche richiedono lunghi tempi di coerenza quantistica. Sappiamo che il calore e la radiazione cosmogenica riducono entrambi i tempi di coerenza quantistica. L'esecuzione di esperimenti sotterranei con la criogenia avanzata offre protezione da questi effetti negativi. Mentre i cristalli di biossido di tellurio di CUORE non possono essere utilizzati per il calcolo quantistico, il fatto che abbiamo realizzato un percorso sperimentale così lungo sottoterra con un criostato molto grande e con materiali puliti potrebbe essere potenzialmente molto utile per lo sviluppo di tecnologie quantistiche.
Cosa porterà il futuro per la collaborazione CUORE?
CUORE durerà fino al 2024 e stiamo già lavorando all'aggiornamento CUORE con Particle Identification – o CUPID. Sostituiremo gli attuali cristalli di biossido di tellurio di CUORE con cristalli di molibdato di litio. Quando le particelle prodotte nel doppio decadimento beta senza neutrini interagiscono con il molibdato di litio, producono sia calore che luce. Questa luce verrà rilevata insieme al calore, e il rapporto tra calore e luce ci permetterà di scartare gli eventi di fondo che coinvolgono particelle che non sono prodotte dal doppio decadimento beta senza neutrini. Anche la struttura criogenica dell'esperimento sarà aggiornata.
