Natuurkundige Laura Marini is coördinator en locatiemanager van het Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE). Het experiment, uitgevoerd door een internationale samenwerking, bevindt zich diep onder een berg in de Italiaanse regio Abruzzo in het Gran Sasso National Laboratory van het National Institute of Nuclear Physics. Marini behaalde in 2018 een doctoraat in de natuurkunde aan de Universiteit van Genua en deed daarna een postdoc aan de Universiteit van Californië, Berkeley. Tijdens haar doctoraat begon ze aan CUORE te werken en tegenwoordig is ze verbonden aan het Italiaanse Gran Sasso Science Institute en het Gran Sasso-lab. Marini sprak met Richard Blaustein over haar rol bij CUORE en de recente mijlpaal van het experiment in het lopende onderzoek naar de vraag of neutrino's Majorana-deeltjes zijn.
Kun je jouw dubbele rol bij CUORE omschrijven?
Op dit moment ben ik coördinator van dit huidige experiment en locatiemanager voor CUORE. Als run coördinator zorg ik ervoor dat het experiment blijft draaien zonder te stoppen. Dit is belangrijk omdat we op zoek zijn naar uiterst zeldzame gebeurtenissen, dus we willen gegevens zo lang mogelijk bewaren zonder te stoppen. Ik werk zowel aan het cryogene deel van het experiment als aan het dataverzamelingsdeel. Ik werk ook aan het minimaliseren van het achtergrondgeluidsniveau in het experiment – wat ook belangrijk is bij het zoeken naar zeldzame gebeurtenissen.
Mijn rol als locatiemanager is iets breder dan die van run-coördinator. Ik zorg voor de interface tussen het experiment en het Gran Sasso National Laboratory, coördineer de activiteiten ter plaatse en organiseer het onderhoud van alle systemen en subsystemen.
Kun je CUORE beschrijven en wat het probeert te meten?
CUORE zoekt naar zeldzame gebeurtenissen in de natuurkunde en is speciaal ontworpen om te zoeken naar neutrinoloos dubbel bèta-verval. Dit proces zal naar verwachting plaatsvinden als neutrino's hun eigen antideeltjes zijn - dat wil zeggen, als het Majorana-deeltjes zijn. Het beantwoorden van deze vraag is belangrijk, want als wordt bewezen dat neutrino's Majorana-deeltjes zijn, zal het mysterie worden opgelost waarom neutrinomassa's zo klein zijn binnen het standaardmodel van de deeltjesfysica.
We zoeken naar neutrinoloos dubbel bèta-verval in de isotoop tellurium-130 omdat bekend is dat het gewoon dubbel bèta-verval ondergaat en het een hoge natuurlijke overvloed heeft. CUORE heeft 184 telluriumdioxidekristallen die in de buurt van 10 mK in een grote cryostaat worden gehouden. De cryostaat maakt geen gebruik van vloeibaar helium, maar heeft vijf pulsbuis-cryokoelers.
Het experiment moet op een zeer lage temperatuur worden gehouden omdat we zoeken naar neutrinoloos dubbel bèta-verval door de kleine temperatuurstijging in een kristal te detecteren die optreedt als gevolg van het verval. Vóór CUORE kon slechts een klein experimenteel volume en massa worden gekoeld, maar we hebben dit enorm vergroot door tot 1.5 ton materiaal op basistemperatuur te koelen. Een ander voordeel van CUORE is dat het experiment een zeer goede energieresolutie heeft en over een zeer breed energiebereik werkt - wat zou moeten helpen bij het identificeren van vervalgebeurtenissen.
Wat is de betekenis van de recente prestatie van CUORE om een "tonjaar" aan gegevens te verwerven?
Tonjaar verwijst naar de massa van het telluriumoxide dat wordt gecontroleerd, vermenigvuldigd met de tijdsduur dat het experiment gegevens verzamelde. De massa is 741 kg en de gegevens zijn verzameld in runs die zijn uitgevoerd tussen 2017 en 2020. Niet elke run betrof het gebruik van de volledige massa, maar alles bij elkaar werden er gegevens verzameld voor een tonjaar
Hieraan zijn twee belangrijke aspecten verbonden. Ten eerste is dit de eerste keer dat zo'n grote massa in een cryostaat wordt gekoeld. Ten tweede, omdat we het experiment zo lang hebben kunnen uitvoeren, hebben we aangetoond dat cryogene calorimeters een haalbare manier zijn om te zoeken naar neutrinoloos dubbel bèta-verval.
Wat heeft dit tonjaar aan gegevens jou en je collega's geleerd?
Voor alle duidelijkheid: we hebben geen Majorana-deeltjes gevonden. In plaats daarvan hebben we een ondergrens kunnen stellen aan de halfwaardetijd van neutrinoloos dubbel bèta-verval. We weten nu dat de halfwaardetijd groter is dan 2.2×1025 jaren. We kunnen dit concluderen, want als de halfwaardetijd korter was, hadden we verwacht dat we ten minste een of meer gebeurtenissen in CUORE zouden zien.
Kan CUORE worden gebruikt om andere gebieden van de natuurkunde te verkennen?
Ja. CUORE is ontworpen om te zoeken naar zeldzame gebeurtenissen en heeft daarom de potentie om naar donkere materie te zoeken. Van donkere materiedeeltjes wordt verwacht dat ze zeer zelden interageren met CUORE's detectormaterialen en dit zou het vrijkomen van zeer kleine hoeveelheden energie met zich meebrengen. De zoektocht naar donkere materie zou dus profiteren van de grote massa en de lange looptijd van het experiment. Een zoektocht naar donkere materie zou het verkennen van een ander energiegebied in de detector inhouden en er zijn groepen natuurkundigen binnen de CUORE-samenwerking die naar die mogelijkheid kijken.
Heeft de cryogene mijlpaal van CUORE enige invloed op quantum computing?
Ik ben geen expert op het gebied van kwantumcomputing, maar over het algemeen hebben solid-state apparaten die kwantuminformatie verwerken lange kwantumcoherentietijden nodig. We weten dat warmte en kosmogene straling beide de kwantumcoherentietijden verkorten. Ondergronds experimenteren met geavanceerde cryogene technieken biedt bescherming tegen deze negatieve effecten. Hoewel de telluriumdioxidekristallen van CUORE niet kunnen worden gebruikt voor kwantumcomputing, zou het feit dat we zo'n lange experimentele run ondergronds hebben bereikt met een zeer grote cryostaat en met schone materialen potentieel zeer nuttig kunnen zijn voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën.
Wat zal de toekomst brengen voor de CUORE-samenwerking?
CUORE loopt tot 2024 en we werken al aan de CUORE Upgrade met Particle Identification – of CUPID. We zullen de huidige telluriumdioxidekristallen van CUORE vervangen door lithiummolybdaatkristallen. Wanneer deeltjes geproduceerd in neutrinoloos dubbel bèta-verval interageren met lithiummolybdaat, produceren ze zowel warmte als licht. Dit licht zal samen met de warmte worden gedetecteerd, en de verhouding tussen warmte en licht stelt ons in staat achtergrondgebeurtenissen te verwerpen waarbij deeltjes betrokken zijn die niet worden geproduceerd door neutrinoloos dubbel bèta-verval. Ook de cryogene structuur van het experiment krijgt een upgrade.
