Fizician Laura Marini este coordonator și manager de șantier al Observatorului Criogenic Subteran pentru Evenimente Rare (CUORE). Operat de o colaborare internațională, experimentul este situat adânc sub un munte din regiunea Abruzzo din Italia, la Laboratorul Național Gran Sasso al Institutului Național de Fizică Nucleară. Marini a primit un doctorat în fizică la Universitatea din Genova în 2018 și apoi a făcut un post-doctorat la Universitatea din California, Berkeley. Ea a început să lucreze la CUORE în timpul doctoratului și astăzi este afiliată cu Institutul de Știință Gran Sasso din Italia și cu laboratorul Gran Sasso. Marini a vorbit cu Richard Blaustein despre rolul ei la CUORE și despre recenta etapă a experimentului în investigația în curs de desfășurare a faptului că neutrinii sunt particule de Majorana.
Poți să-ți descrii rolul dublu la CUORE?
În acest moment, sunt coordonator condus pentru acest experiment actual și manager de site pentru CUORE. În calitate de coordonator de rulare, mă asigur că experimentul continuă să ruleze fără oprire. Acest lucru este important deoarece căutăm evenimente extrem de rare, așa că dorim să luăm date cât mai mult timp posibil, fără a ne opri. Lucrez atât la partea criogenică a experimentului, cât și la partea de colectare a datelor. De asemenea, lucrez la minimizarea nivelului de zgomot de fundal în experiment - care este, de asemenea, important atunci când caută evenimente rare.
Rolul meu de manager de site este puțin mai larg decât cel de coordonator al conducerii. Mă ocup de interfața dintre experiment și Laboratorul Național Gran Sasso, coordonez activitățile la fața locului și organizez întreținerea tuturor sistemelor și subsistemelor.
Puteți descrie CUORE și ce încearcă să măsoare?
CUORE caută evenimente rare în fizică și a fost conceput special pentru a căuta dezintegrarea beta dublă fără neutrini. Acest proces este de așteptat să aibă loc dacă neutrinii sunt propriile lor antiparticule - adică dacă sunt particule Majorana. Răspunsul la această întrebare este important, deoarece dacă neutrinii se dovedesc a fi particule Majorana, misterul de ce masele de neutrini sunt atât de mici în Modelul standard al fizicii particulelor va fi rezolvat.
Căutăm dezintegrarea beta dublă fără neutrini în izotopul telur-130, deoarece se știe că suferă dezintegrare dublă beta obișnuită și are o abundență naturală mare. CUORE are 184 de cristale de dioxid de teluriu care sunt păstrate aproape de 10 mK în interiorul unui criostat mare. Criostatul nu folosește heliu lichid, ci mai degrabă are cinci criorăcitoare cu tuburi de impulsuri.
Experimentul trebuie menținut la o temperatură foarte scăzută, deoarece căutăm dezintegrarea beta dublă fără neutrini prin detectarea creșterii minuscule a temperaturii în interiorul unui cristal care are loc din cauza dezintegrarii. Înainte de CUORE, doar un volum și o masă experimentale mici puteau fi răcite, dar am crescut enorm acest lucru prin răcirea până la 1.5 tone de material la temperatura de bază. Un alt avantaj al CUORE este că experimentul are o rezoluție energetică foarte bună și funcționează pe o gamă foarte largă de energie - ceea ce ar trebui să îl ajute să identifice evenimentele de dezintegrare.
Care este semnificația recentei realizari a CUORE de a obține o „tonă-an” de date?
Tona-an se referă la masa oxidului de teluriu monitorizat înmulțită cu durata de timp în care experimentul a colectat date. Masa este de 741 kg și datele au fost obținute în curse care au fost efectuate între 2017 și 2020. Nu toate cursele implicate folosind întreaga masă, dar toate împreună au fost colectate date în valoare de o tonă-an.
Există două aspecte semnificative în acest sens. În primul rând, aceasta este prima dată când o masă atât de mare a fost răcită într-un criostat. În al doilea rând, pentru că am reușit să rulăm experimentul pentru o perioadă atât de lungă, am arătat că calorimetrele criogenice sunt o modalitate viabilă de a căuta dezintegrarea beta dublă fără neutrini.
Ce v-au spus această tonă-an de date ție și colegilor tăi?
Pentru a fi clar, nu am găsit particule de Majorana. În schimb, am reușit să stabilim o limită inferioară a timpului de înjumătățire al dezintegrarii beta duble fără neutrini. Știm acum că timpul de înjumătățire este mai mare de 2.2×1025 ani. Putem concluziona acest lucru deoarece, dacă timpul de înjumătățire a fost mai scurt, ne-am fi așteptat să vedem cel puțin unul sau mai multe evenimente în CUORE.
Poate fi folosit CUORE pentru a explora alte domenii ale fizicii?
Da. CUORE este conceput pentru a căuta evenimente rare și, prin urmare, are potențialul de a căuta materia întunecată. Se așteaptă ca particulele de materie întunecată să interacționeze cu materialele detectorului CUORE foarte rar și acest lucru ar implica eliberarea de cantități foarte mici de energie. Așadar, căutarea materiei întunecate ar beneficia de masa mare și de durata lungă a experimentului. O căutare a materiei întunecate ar implica explorarea unei alte regiuni energetice în detector și există grupuri de fizicieni în cadrul colaborării CUORE care analizează această posibilitate.
Are reperul criogenic al lui CUORE vreo influență asupra calculului cuantic?
Nu sunt un expert în calcul cuantic, dar, în general, dispozitivele cu stare solidă care procesează informații cuantice necesită timpi lungi de coerență cuantică. Știm că căldura și radiația cosmogenă reduc timpii de coerență cuantică. Experimentele subterane cu criogenie avansată oferă protecție împotriva acestor efecte negative. În timp ce cristalele de dioxid de teluriu ale lui CUORE nu pot fi folosite pentru calculul cuantic, faptul că am realizat o perioadă experimentală atât de lungă în subteran cu un criostat foarte mare și cu materiale curate ar putea fi potențial foarte util pentru dezvoltarea tehnologiilor cuantice.
Ce va aduce viitorul pentru colaborarea CUORE?
CUORE va funcționa până în 2024 și lucrăm deja la CUORE Upgrade cu Particle Identification – sau CUPID. Vom înlocui cristalele actuale de dioxid de teluriu ale CUORE cu cristale de molibdat de litiu. Atunci când particulele produse în dezintegrarea beta dublă fără neutrini interacționează cu molibdatul de litiu, ele produc atât căldură, cât și lumină. Această lumină va fi detectată împreună cu căldura, iar raportul dintre căldură și lumină ne va permite să respingem evenimentele de fundal care implică particule care nu sunt produse de dezintegrarea beta dublă fără neutrini. Structura criogenică a experimentului va fi, de asemenea, îmbunătățită.
