פיסיקאי לורה מריני מנוהל מתאם ומנהל אתר של מצפה התת-קרקע הקריוגני לאירועים נדירים (CUORE). מופעל על ידי שיתוף פעולה בינלאומי, הניסוי ממוקם עמוק מתחת להר באזור אברוצו של איטליה במעבדה הלאומית גראן סאסו של המכון הלאומי לפיזיקה גרעינית. מריני קיבל תואר דוקטור בפיזיקה מאוניברסיטת גנואה ב-2018 ולאחר מכן עשה פוסט דוקטורט באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. היא החלה לעבוד על CUORE במהלך הדוקטורט שלה וכיום היא קשורה למכון המדעי Gran Sasso של איטליה ולמעבדת Gran Sasso. מריני דיברה עם ריצ'רד בלאושטיין על תפקידה ב-CUORE ועל אבן הדרך האחרונה של הניסוי בחקירה המתמשכת שלו האם ניטרינו הם חלקיקי מיורנה.
האם תוכל לתאר את התפקיד הכפול שלך ב-CUORE?
כרגע, אני מנהל את הרכז של הניסוי הנוכחי ומנהל האתר של CUORE. כרכז ריצה, אני מוודא שהניסוי ימשיך לפעול ללא הפסקה. זה חשוב כי אנחנו מחפשים אירועים נדירים ביותר, אז אנחנו רוצים לקחת נתונים כמה שיותר זמן בלי להפסיק. אני עובד גם על החלק הקריוגני של הניסוי וגם על החלק של איסוף הנתונים. אני גם עובד על מזעור רמת רעשי הרקע בניסוי - וזה חשוב גם כשמחפשים אירועים נדירים.
תפקיד מנהל האתר שלי הוא קצת יותר רחב מתאם הפעלה. אני מטפל בממשק בין הניסוי למעבדה הלאומית של גראן סאסו, מתאם פעילויות באתר ומארגן את התחזוקה של כל המערכות ותתי המערכות.
האם תוכל לתאר את CUORE ומה הוא מבקש למדוד?
CUORE מחפש אירועים נדירים בפיזיקה והוא תוכנן במיוחד לחיפוש אחר ריקבון בטא כפול ללא נויטרינו. תהליך זה צפוי להתרחש אם הנייטרינו הם אנטי-חלקיקים של עצמם - כלומר, אם הם חלקיקי מיורנה. תשובה לשאלה זו חשובה מכיוון שאם יוכח שהניטרינו הם חלקיקי מיורנה, תיפתר התעלומה מדוע מסת הניטרינו כה קטנה בתוך המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.
אנו מחפשים ריקבון בטא כפול ללא נויטרינו באיזוטופ טלוריום-130 מכיוון שידוע שהוא עובר ריקבון כפול בטא רגיל ויש לו שפע טבעי גבוה. ל-CUORE יש 184 גבישי טלוריום דו-חמצני שנשמרים ליד 10 mK בתוך קריוסטט גדול. הקריוסטט אינו משתמש בהליום נוזלי אלא יש לו חמישה קולרים של צינורות דופק.
הניסוי חייב להישמר בטמפרטורה נמוכה מאוד מכיוון שאנו מחפשים התפרקות בטא כפולה ללא נויטרינו על ידי זיהוי העלייה הזעירה בטמפרטורה בתוך גביש המתרחשת בגלל ההתפרקות. לפני CUORE, ניתן היה לקרר רק נפח ומסה ניסיוניים קטנים, אך הגדלנו זאת בצורה משמעותית על ידי קירור של עד 1.5 טון חומר בטמפרטורת הבסיס. יתרון נוסף של CUORE הוא שלניסוי יש רזולוציית אנרגיה טובה מאוד והוא פועל על פני טווח אנרגיה רחב מאוד - מה שאמור לעזור לו לזהות אירועי דעיכה.
מהי המשמעות של ההישג האחרון של CUORE של רכישת "טון-שנה" של נתונים?
שנה טונה מתייחסת למסה של תחמוצת הטלוריום המנוטרת כפול משך הזמן שהניסוי אסף נתונים. המסה היא 741 ק"ג והנתונים נרכשו בריצות שבוצעו בין 2017 ל-2020. לא כל ריצה כללה שימוש במסה כולה, אלא בסך הכל נאספו נתונים בשווי טון אחד לשנה
יש לזה שני היבטים משמעותיים. ראשית, זו הפעם הראשונה שמסה גדולה כל כך מקוררת בקריוסטט. שנית, מכיוון שהצלחנו להפעיל את הניסוי במשך זמן כה רב, הראינו שמדי קלוריות קריוגניים הם דרך קיימא לחיפוש אחר ריקבון כפול בטא ללא נויטרינו.
מה אמרו לך ולעמיתיך שנת טון זו של נתונים?
כדי להיות ברור, לא מצאנו חלקיקי מיורנה. במקום זאת, הצלחנו להגדיר גבול תחתון על מחצית החיים של ריקבון בטא כפול ללא נויטרינו. כעת אנו יודעים שזמן מחצית החיים גדול מ-2.2×1025 שנים. אנו יכולים להסיק זאת מכיוון שאם זמן מחצית החיים היה קצר יותר, היינו מצפים לראות לפחות אירוע אחד או יותר ב-CUORE.
האם ניתן להשתמש ב-CUORE כדי לחקור תחומים אחרים בפיזיקה?
כן. CUORE נועד לחפש אירועים נדירים ולכן יש לו פוטנציאל לחפש חומר אפל. חלקיקי חומר אפל צפויים לקיים אינטראקציה עם חומרי הגלאי של CUORE לעיתים רחוקות מאוד וזה כרוך בשחרור של כמויות קטנות מאוד של אנרגיה. לכן, החיפוש אחר חומר אפל ירוויח מהמסה הגדולה של הניסוי ומזמן הריצה הארוך. חיפוש חומר אפל יכלול חקר אזור אנרגיה אחר בגלאי ויש קבוצות של פיזיקאים במסגרת שיתוף הפעולה של CUORE בוחנים אפשרות זו.
האם לאבן הדרך הקריוגנית של CUORE יש השפעה מסוימת על מחשוב קוונטי?
אני לא מומחה במחשוב קוונטי, אבל בדרך כלל, התקני מצב מוצק המעבדים מידע קוונטי דורשים זמני קוהרנטיות קוונטיים ארוכים. אנו יודעים שחום וקרינה קוסמוגנית מפחיתים את זמני הקוהרנטיות הקוונטית. הפעלת ניסויים מתחת לאדמה עם קריאוגניקה מתקדמת מציעה הגנה מפני ההשפעות השליליות הללו. בעוד שגבישי הטלוריום הדו-חמצני של CUORE אינם יכולים לשמש עבור מחשוב קוונטי, העובדה שהשגנו ריצת ניסוי כה ארוכה מתחת לאדמה עם קריוסטט גדול מאוד ועם חומרים נקיים עשויה להיות שימושית מאוד לפיתוח טכנולוגיות קוונטיות.
מה יביא העתיד לשיתוף הפעולה CUORE?
CUORE יפעל עד 2024 ואנחנו כבר עובדים על שדרוג CUORE עם זיהוי חלקיקים - או CUPID. נחליף את גבישי הטלוריום הדו-חמצני הנוכחיים של CUORE בגבישי ליתיום מוליבדאט. כאשר חלקיקים המיוצרים בהתפרקות בטא כפולה ללא נויטרינו מקיימים אינטראקציה עם ליתיום מוליבדאט, הם מייצרים גם חום וגם אור. אור זה יתגלה יחד עם החום, והיחס בין חום לאור יאפשר לנו לדחות אירועי רקע הכוללים חלקיקים שאינם מיוצרים על ידי ריקבון בטא כפול ללא נויטרינו. גם המבנה הקריוגני של הניסוי ישודרג.
