Fysiker Laura Marini drives koordinator og stedsleder for Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE). Eksperimentet drives av et internasjonalt samarbeid og ligger dypt under et fjell i Italias Abruzzo-region ved Gran Sasso National Laboratory ved National Institute of Nuclear Physics. Marini fikk en doktorgrad i fysikk fra University of Genoa i 2018 og tok deretter en postdoktor ved University of California, Berkeley. Hun begynte å jobbe med CUORE under doktorgraden, og i dag er hun tilknyttet Italias Gran Sasso Science Institute og Gran Sasso-laboratoriet. Marini snakket med Richard Blaustein om hennes rolle ved CUORE og eksperimentets nylige milepæl i dets pågående undersøkelse av hvorvidt nøytrinoer er Majorana-partikler.
Kan du beskrive din dobbeltrolle hos CUORE?
Akkurat nå er jeg koordinator for dette nåværende eksperimentet og stedsansvarlig for CUORE. Som løpskoordinator sørger jeg for at eksperimentet fortsetter uten å stoppe. Dette er viktig fordi vi ser etter ekstremt sjeldne hendelser, så vi ønsker å ta data så lenge som mulig uten å stoppe. Jeg jobber både med den kryogene delen av eksperimentet og datainnsamlingsdelen. Jeg jobber også med å minimere bakgrunnsstøynivået i eksperimentet – noe som også er viktig når man ser etter sjeldne hendelser.
Min plasseringslederrolle er litt bredere enn driftskoordinator. Jeg håndterer grensesnittet mellom eksperimentet og Gran Sasso National Laboratory, koordinerer aktiviteter på stedet og organiserer vedlikeholdet av alle systemene og delsystemene.
Kan du beskrive CUORE og hva den prøver å måle?
CUORE ser etter sjeldne hendelser i fysikk, og den ble spesielt utviklet for å søke etter nøytrinoløs dobbel beta-forfall. Denne prosessen forventes å skje hvis nøytrinoer er deres egne anti-partikler - det vil si hvis de er Majorana-partikler. Å svare på dette spørsmålet er viktig fordi hvis nøytrinoer er bevist å være Majorana-partikler, vil mysteriet om hvorfor nøytrinomassene er så små innenfor standardmodellen for partikkelfysikk bli løst.
Vi søker etter nøytrinoløs dobbel beta-nedbrytning i isotopen tellur-130 fordi den er kjent for å gjennomgå vanlig dobbel beta-nedbrytning og den har høy naturlig overflod. CUORE har 184 tellurdioksidkrystaller som holdes nær 10 mK inne i en stor kryostat. Kryostaten bruker ikke flytende helium, men har heller fem pulsrørskryokjølere.
Eksperimentet må holdes ved en veldig lav temperatur fordi vi søker etter nøytrinoløst dobbel beta-forfall ved å oppdage den lille økningen i temperatur i en krystall som oppstår på grunn av forfallet. Før CUORE kunne bare et lite eksperimentelt volum og masse avkjøles, men vi har økt dette enormt ved å kjøle opp til 1.5 tonn materiale ved basistemperatur. En annen fordel med CUORE er at eksperimentet har veldig god energioppløsning og opererer over et veldig bredt energiområde – noe som burde hjelpe det med å identifisere forfallshendelser.
Hva er betydningen av CUOREs nylige prestasjon med å skaffe et «tonn-år» med data?
Tonneår refererer til massen av telluroksidet som overvåkes multiplisert med hvor lang tid eksperimentet samlet inn data. Massen er 741 kg og data ble innhentet i kjøringer som ble utført mellom 2017 og 2020. Ikke alle kjøringer involverte bruk av hele massen, men til sammen ble det samlet inn data for ett tonns år.
Det er to vesentlige aspekter ved dette. For det første er dette første gang at en så stor masse har blitt avkjølt i en kryostat. For det andre, fordi vi var i stand til å kjøre eksperimentet i så lang tid, har vi vist at kryogene kalorimetre er en levedyktig måte å søke etter nøytrinoløst dobbelt beta-forfall.
Hva fortalte dette tonneåret med data deg og kollegene dine?
For å være klar, har vi ikke funnet Majorana-partikler. I stedet har vi vært i stand til å sette en nedre grense for halveringstiden til nøytrinoløst dobbelt beta-forfall. Vi vet nå at halveringstiden er større enn 2.2×1025 år. Vi kan konkludere med dette fordi hvis halveringstiden var kortere, ville vi ha forventet å se minst én eller flere hendelser i CUORE.
Kan CUORE brukes til å utforske andre områder av fysikk?
Ja. CUORE er designet for å søke etter sjeldne hendelser og har derfor potensial til å lete etter mørk materie. Partikler av mørk materie forventes å samhandle med CUOREs detektormaterialer svært sjelden, og dette vil innebære frigjøring av svært små mengder energi. Så letingen etter mørk materie ville ha nytte av eksperimentets store masse og lange løpstid. Et søk etter mørk materie vil innebære å utforske en annen energiregion i detektoren, og det er grupper av fysikere i CUORE-samarbeidet som ser på den muligheten.
Har CUOREs kryogene milepæl noen betydning for kvanteberegning?
Jeg er ingen ekspert på kvanteberegning, men generelt krever solid state-enheter som behandler kvanteinformasjon lange kvantekoherenstider. Vi vet at både varme og kosmogen stråling reduserer kvantekoherenstider. Å kjøre eksperimenter under jorden med avansert kryogenikk gir beskyttelse mot disse negative effektene. Mens CUOREs tellurdioksidkrystaller ikke kan brukes til kvanteberegning, kan det faktum at vi har oppnådd et så langt eksperimentelt løp under jorden med en veldig stor kryostat og med rene materialer være potensielt svært nyttig for utviklingen av kvanteteknologier.
Hva vil fremtiden bringe for CUORE-samarbeidet?
CUORE vil kjøre til 2024, og vi jobber allerede med CUORE-oppgraderingen med partikkelidentifikasjon – eller CUPID. Vi vil erstatte CUOREs nåværende tellurdioksidkrystaller med litiummolybdatkrystaller. Når partikler produsert i nøytrinoløst dobbelt beta-forfall samhandler med litiummolybdat, produserer de både varme og lys. Dette lyset vil bli oppdaget sammen med varmen, og forholdet mellom varme og lys vil tillate oss å avvise bakgrunnshendelser som involverer partikler som ikke produseres av nøytrinoløst dobbelt beta-forfall. Den kryogene strukturen til eksperimentet vil også bli oppgradert.
