Fizyk Laurę Marini jest koordynatorem i kierownikiem ośrodka Kriogenicznego Podziemnego Obserwatorium Rzadkich Zdarzeń (CUORE). Prowadzony w ramach międzynarodowej współpracy eksperyment znajduje się głęboko pod górą we włoskim regionie Abruzji w Narodowym Laboratorium Gran Sasso Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej. Marini uzyskał doktorat z fizyki na Uniwersytecie w Genui w 2018 roku, a następnie odbył staż podoktorski na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Rozpoczęła pracę nad CUORE podczas swojego doktoratu, a dziś jest związana z włoskim Instytutem Naukowym Gran Sasso i laboratorium Gran Sasso. Marini rozmawiała z Richardem Blausteinem o swojej roli w CUORE i ostatnim kamieniu milowym eksperymentu w toczącym się badaniu, czy neutrina są cząstkami Majorany.
Czy możesz opisać swoją podwójną rolę w CUORE?
Obecnie jestem koordynatorem tego obecnego eksperymentu i kierownikiem ośrodka dla CUORE. Jako koordynator biegu dbam o to, aby eksperyment trwał bez przerwy. Jest to ważne, ponieważ szukamy niezwykle rzadkich zdarzeń, więc chcemy pobierać dane tak długo, jak to możliwe, bez zatrzymywania się. Pracuję zarówno nad kriogeniczną częścią eksperymentu, jak i częścią zbierania danych. Pracuję również nad zminimalizowaniem poziomu szumu tła w eksperymencie – co jest również ważne przy wyszukiwaniu rzadkich zdarzeń.
Moja rola kierownika budowy jest nieco szersza niż koordynatora biegu. Zajmuję się interfejsem między eksperymentem a Gran Sasso National Laboratory, koordynuję działania na miejscu i organizuję konserwację wszystkich systemów i podsystemów.
Czy możesz opisać CUORE i to, co stara się mierzyć?
CUORE szuka rzadkich zdarzeń w fizyce i został specjalnie zaprojektowany do poszukiwania podwójnego rozpadu beta bez neutrin. Oczekuje się, że proces ten zajdzie, jeśli neutrina są swoimi własnymi antycząstkami – to znaczy, jeśli są cząstkami Majorany. Odpowiedź na to pytanie jest ważna, ponieważ jeśli udowodni się, że neutrina są cząstkami Majorany, tajemnica, dlaczego masy neutrin są tak małe w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych, zostanie rozwiązana.
Poszukujemy bezneutrinowego podwójnego rozpadu beta w izotopie telluru-130, ponieważ wiadomo, że ulega on zwykłemu podwójnemu rozpadowi beta i ma wysoką naturalną obfitość. CUORE ma 184 kryształy dwutlenku telluru, które są przechowywane w pobliżu 10 mK wewnątrz dużego kriostatu. Kriostat nie wykorzystuje ciekłego helu, ale ma pięć kriogenicznych rurek pulsacyjnych.
Eksperyment musi odbywać się w bardzo niskiej temperaturze, ponieważ szukamy podwójnego rozpadu beta bez neutrin, wykrywając niewielki wzrost temperatury w krysztale, który występuje z powodu rozpadu. Przed CUORE można było schłodzić tylko niewielką eksperymentalną objętość i masę, ale znacznie to zwiększyliśmy, schładzając do 1.5 tony materiału w temperaturze podstawowej. Kolejną zaletą CUORE jest to, że eksperyment ma bardzo dobrą rozdzielczość energetyczną i działa w bardzo szerokim zakresie energii – co powinno pomóc w identyfikacji zdarzeń rozpadu.
Jakie znaczenie ma niedawne osiągnięcie CUORE polegające na zdobyciu „tonorocznej” danych?
Tonorok odnosi się do masy monitorowanego tlenku telluru pomnożonej przez czas, przez jaki eksperyment zbierał dane. Masa wynosi 741 kg, a dane uzyskano podczas przejazdów przeprowadzonych w latach 2017-2020. Nie w każdym biegu wykorzystano całą masę, ale łącznie zebrano dane o wartości jednej tony rocznie
Składają się na to dwa istotne aspekty. Po pierwsze, po raz pierwszy tak duża masa została schłodzona w kriostacie. Po drugie, ponieważ byliśmy w stanie prowadzić eksperyment przez tak długi czas, pokazaliśmy, że kalorymetry kriogeniczne są realnym sposobem poszukiwania podwójnego rozpadu beta bez neutrin.
Co te tonoroczne dane powiedziały Tobie i Twoim współpracownikom?
Żeby było jasne, nie znaleźliśmy cząstek Majorany. Zamiast tego udało nam się ustalić dolną granicę okresu półtrwania podwójnego rozpadu beta bez neutrin. Teraz wiemy, że okres półtrwania jest większy niż 2.2×1025 lata. Możemy to stwierdzić, ponieważ gdyby okres półtrwania był krótszy, spodziewalibyśmy się co najmniej jednego zdarzenia w CUORE.
Czy CUORE można wykorzystać do eksploracji innych dziedzin fizyki?
TAk. CUORE jest przeznaczony do poszukiwania rzadkich zdarzeń i dlatego ma potencjał do poszukiwania ciemnej materii. Oczekuje się, że cząstki ciemnej materii bardzo rzadko będą wchodzić w interakcje z materiałami detektora CUORE i wiązałoby się to z uwolnieniem bardzo małych ilości energii. Tak więc poszukiwanie ciemnej materii skorzystałoby na dużej masie eksperymentu i długim czasie pracy. Poszukiwanie ciemnej materii wymagałoby zbadania innego obszaru energii w detektorze, a grupy fizyków w ramach współpracy CUORE przyglądają się tej możliwości.
Czy kriogeniczny kamień milowy CUORE ma jakiś wpływ na obliczenia kwantowe?
Nie jestem ekspertem w dziedzinie obliczeń kwantowych, ale ogólnie urządzenia półprzewodnikowe przetwarzające informacje kwantowe wymagają długich czasów koherencji kwantowej. Wiemy, że zarówno ciepło, jak i promieniowanie kosmogeniczne skracają czasy koherencji kwantowej. Prowadzenie eksperymentów pod ziemią przy użyciu zaawansowanej kriogeniki zapewnia ochronę przed tymi negatywnymi skutkami. Chociaż kryształów dwutlenku telluru z CUORE nie można wykorzystać do obliczeń kwantowych, fakt, że udało nam się przeprowadzić tak długi eksperyment pod ziemią z bardzo dużym kriostatem i czystymi materiałami, może być potencjalnie bardzo przydatny w rozwoju technologii kwantowych.
Co przyniesie przyszłość dla współpracy CUORE?
CUORE będzie działać do 2024 roku i już pracujemy nad aktualizacją CUORE z identyfikacją cząstek – lub CUPID. Obecne kryształy dwutlenku telluru firmy CUORE zastąpimy kryształami molibdenianu litu. Kiedy cząstki powstałe w podwójnym bezneutrinowym rozpadzie beta oddziałują z molibdenianem litu, wytwarzają zarówno ciepło, jak i światło. To światło zostanie wykryte wraz z ciepłem, a stosunek ciepła do światła pozwoli nam odrzucić zdarzenia tła z udziałem cząstek, które nie są wytwarzane przez podwójny rozpad beta bez neutrin. Zmodernizowana zostanie również kriogeniczna struktura eksperymentu.
