Físico Laura Marini é coordenador e gerente local do Observatório Subterrâneo Criogênico para Eventos Raros (CUORE). Operado por uma colaboração internacional, o experimento está situado nas profundezas de uma montanha na região de Abruzzo, na Itália, no Laboratório Nacional Gran Sasso do Instituto Nacional de Física Nuclear. Marini recebeu um PhD em física pela Universidade de Gênova em 2018 e depois fez um pós-doutorado na Universidade da Califórnia, em Berkeley. Ela começou a trabalhar no CUORE durante seu doutorado e hoje é afiliada ao Gran Sasso Science Institute da Itália e ao laboratório Gran Sasso. Marini conversou com Richard Blaustein sobre seu papel no CUORE e o recente marco do experimento em sua investigação contínua sobre se os neutrinos são partículas de Majorana.
Você pode descrever sua dupla função na CUORE?
No momento, sou coordenador de execução deste experimento atual e gerente local da CUORE. Como coordenador de execução, certifico-me de que o experimento continue sendo executado sem parar. Isso é importante porque estamos procurando por eventos extremamente raros, então queremos coletar dados pelo maior tempo possível sem parar. Eu trabalho tanto na parte criogênica do experimento quanto na parte de coleta de dados. Também trabalho para minimizar o nível de ruído de fundo no experimento – o que também é importante ao procurar por eventos raros.
Minha função de gerente local é um pouco mais ampla do que a de coordenador de execução. Assumo a interface entre o experimento e o Laboratório Nacional Gran Sasso, coordeno as atividades no local e organizo a manutenção de todos os sistemas e subsistemas.
Você pode descrever o CUORE e o que ele busca medir?
O CUORE procura eventos raros na física e foi projetado especificamente para procurar por decaimento beta duplo sem neutrinos. Espera-se que esse processo ocorra se os neutrinos forem suas próprias antipartículas – ou seja, se forem partículas de Majorana. Responder a essa pergunta é importante porque, se for comprovado que os neutrinos são partículas de Majorana, o mistério de por que as massas dos neutrinos são tão pequenas dentro do Modelo Padrão da física de partículas será resolvido.
Procuramos por decaimento beta duplo sem neutrinos no isótopo telúrio-130 porque é conhecido por sofrer decaimento beta duplo comum e tem uma alta abundância natural. CUORE tem 184 cristais de dióxido de telúrio que são mantidos perto de 10 mK dentro de um grande criostato. O criostato não usa hélio líquido, mas possui cinco crioresfriadores de tubo de pulso.
O experimento deve ser mantido em uma temperatura muito baixa porque procuramos por decaimento beta duplo sem neutrinos detectando o pequeno aumento na temperatura dentro de um cristal que ocorre devido ao decaimento. Antes do CUORE, apenas um pequeno volume e massa experimental podiam ser resfriados, mas aumentamos isso tremendamente ao resfriar até 1.5 tonelada de material à temperatura base. Outra vantagem do CUORE é que o experimento tem resolução de energia muito boa e opera em uma faixa de energia muito ampla – o que deve ajudá-lo a identificar eventos de decaimento.
Qual é o significado da recente conquista do CUORE de adquirir uma “tonelada por ano” de dados?
Tonelada-ano refere-se à massa do óxido de telúrio sendo monitorada multiplicada pelo período de tempo que o experimento coletou dados. A massa é de 741 kg e os dados foram adquiridos em corridas feitas entre 2017 e 2020. Nem todas as corridas envolveram o uso de toda a massa, mas todas juntas foram coletadas uma tonelada de dados por ano
Há dois aspectos significativos nisso. Primeiro, esta é a primeira vez que uma massa tão grande foi resfriada em um criostato. Em segundo lugar, como pudemos executar o experimento por tanto tempo, mostramos que os calorímetros criogênicos são uma maneira viável de procurar por decaimento beta duplo sem neutrinos.
O que essa tonelada-ano de dados disse a você e a seus colegas?
Para ser claro, não encontramos partículas de Majorana. Em vez disso, conseguimos definir um limite inferior para a meia-vida do decaimento beta duplo sem neutrinos. Agora sabemos que a meia-vida é maior que 2.2 × 1025 anos. Podemos concluir isso porque, se a meia-vida fosse mais curta, esperaríamos ver pelo menos um ou mais eventos em CUORE.
O CUORE pode ser usado para explorar outras áreas da física?
Sim. O CUORE foi projetado para procurar eventos raros e, portanto, tem o potencial de procurar matéria escura. Espera-se que as partículas de matéria escura interajam com os materiais do detector do CUORE muito raramente e isso envolveria a liberação de quantidades muito pequenas de energia. Assim, a busca por matéria escura se beneficiaria da grande massa do experimento e do longo tempo de execução. Uma busca de matéria escura envolveria a exploração de outra região de energia no detector e há grupos de físicos dentro da colaboração CUORE olhando para essa possibilidade.
O marco criogênico do CUORE tem alguma influência na computação quântica?
Não sou especialista em computação quântica, mas geralmente os dispositivos de estado sólido que processam informações quânticas requerem longos tempos de coerência quântica. Sabemos que o calor e a radiação cosmogênica reduzem os tempos de coerência quântica. A execução de experimentos subterrâneos com criogenia avançada oferece proteção contra esses efeitos negativos. Embora os cristais de dióxido de telúrio do CUORE não possam ser usados para computação quântica, o fato de termos alcançado uma longa experiência experimental no subsolo com um criostato muito grande e com materiais limpos pode ser potencialmente muito útil para o desenvolvimento de tecnologias quânticas.
O que o futuro trará para a colaboração CUORE?
O CUORE funcionará até 2024 e já estamos trabalhando no Upgrade do CUORE com Identificação de Partículas – ou CUPID. Substituiremos os atuais cristais de dióxido de telúrio da CUORE por cristais de molibdato de lítio. Quando as partículas produzidas no decaimento beta duplo sem neutrinos interagem com o molibdato de lítio, elas produzem calor e luz. Essa luz será detectada junto com o calor, e a proporção de calor para luz nos permitirá rejeitar eventos de fundo envolvendo partículas que não são produzidas por decaimento beta duplo sem neutrinos. A estrutura criogênica do experimento também será atualizada.
