Физик Лаура Марини является координатором и руководителем Криогенной подземной обсерватории редких явлений (CUORE). Эксперимент, управляемый международным сообществом, расположен глубоко под горой в итальянском регионе Абруццо в Национальной лаборатории Гран-Сассо Национального института ядерной физики. Марини получил докторскую степень по физике в Университете Генуи в 2018 году, а затем защитил докторскую диссертацию в Калифорнийском университете в Беркли. Она начала работать над CUORE во время получения докторской степени, а сегодня она работает в итальянском Научном институте Гран-Сассо и в лаборатории Гран-Сассо. Марини поговорила с Ричардом Блаустейном о своей роли в CUORE и недавней вехе эксперимента в продолжающемся исследовании того, являются ли нейтрино майорановскими частицами.
Можете ли вы описать свою двойную роль в CUORE?
Прямо сейчас я работаю координатором текущего эксперимента и менеджером сайта CUORE. Как координатор выполнения, я слежу за тем, чтобы эксперимент продолжался без остановки. Это важно, потому что мы ищем крайне редкие события, поэтому хотим брать данные как можно дольше без остановки. Я работаю как над криогенной частью эксперимента, так и над частью сбора данных. Я также работаю над минимизацией уровня фонового шума в эксперименте, что также важно при поиске редких событий.
Моя роль менеджера сайта немного шире, чем координатор запуска. Я занимаюсь интерфейсом между экспериментом и Национальной лабораторией Гран-Сассо, координирую деятельность на месте и организую обслуживание всех систем и подсистем.
Можете ли вы описать CUORE и что он пытается измерить?
CUORE ищет редкие физические явления и был специально разработан для поиска безнейтринного двойного бета-распада. Ожидается, что этот процесс произойдет, если нейтрино будут сами по себе античастицами, то есть если они майорановские частицы. Ответ на этот вопрос важен, потому что, если будет доказано, что нейтрино являются майорановскими частицами, будет решена загадка, почему массы нейтрино так малы в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц.
Мы ищем безнейтринный двойной бета-распад в изотопе теллур-130, потому что известно, что он подвергается обычному двойному бета-распаду и имеет высокое естественное содержание. CUORE состоит из 184 кристаллов диоксида теллура, температура которых составляет около 10 мК внутри большого криостата. Криостат не использует жидкий гелий, а имеет пять криоохладителей с импульсными трубками.
Эксперимент должен проводиться при очень низкой температуре, потому что мы ищем безнейтринный двойной бета-распад, обнаруживая крошечное повышение температуры внутри кристалла, которое происходит из-за распада. До CUORE можно было охлаждать только небольшой экспериментальный объем и массу, но мы значительно увеличили этот показатель, охладив до 1.5 тонны материала при базовой температуре. Еще одним преимуществом CUORE является то, что эксперимент имеет очень хорошее энергетическое разрешение и работает в очень широком диапазоне энергий, что должно помочь ему идентифицировать события распада.
Каково значение недавнего достижения CUORE в получении данных «тонна-год»?
Тонна-год относится к массе контролируемого оксида теллура, умноженной на продолжительность сбора данных в ходе эксперимента. Масса составляет 741 кг, и данные были получены в ходе прогонов, которые проводились в период с 2017 по 2020 год. Не в каждом прогоне использовалась вся масса, но все вместе были собраны данные на одну тонну в год.
В этом есть два существенных аспекта. Во-первых, такая большая масса охлаждается в криостате впервые. Во-вторых, благодаря тому, что мы могли проводить эксперимент в течение такого длительного времени, мы показали, что криогенные калориметры являются жизнеспособным способом поиска двойного безнейтринного бета-распада.
Что эти тонно-годовые данные сказали вам и вашим коллегам?
Чтобы было ясно, мы не нашли майорановских частиц. Вместо этого мы смогли установить нижний предел периода полураспада безнейтринного двойного бета-распада. Теперь мы знаем, что период полураспада больше 2.2×1025 годы. Мы можем заключить это, потому что, если бы период полураспада был короче, мы ожидали бы увидеть по крайней мере одно или несколько событий в CUORE.
Можно ли использовать CUORE для изучения других областей физики?
Да. CUORE предназначен для поиска редких событий, поэтому у него есть потенциал для поиска темной материи. Ожидается, что частицы темной материи будут очень редко взаимодействовать с материалами детектора CUORE, и это будет связано с выделением очень небольшого количества энергии. Таким образом, поиск темной материи выиграет от большой массы эксперимента и его продолжительности. Поиск темной материи будет включать в себя исследование другой энергетической области в детекторе, и в коллаборации CUORE есть группы физиков, изучающих эту возможность.
Имеет ли криогенная веха CUORE какое-то отношение к квантовым вычислениям?
Я не эксперт в квантовых вычислениях, но обычно твердотельные устройства, обрабатывающие квантовую информацию, требуют длительного времени квантовой когерентности. Мы знаем, что и тепло, и космогенное излучение сокращают время квантовой когерентности. Проведение подземных экспериментов с передовой криогеникой обеспечивает защиту от этих негативных последствий. Хотя кристаллы диоксида теллура CUORE нельзя использовать для квантовых вычислений, тот факт, что мы добились такого длительного экспериментального запуска под землей с очень большим криостатом и чистыми материалами, потенциально может быть очень полезным для развития квантовых технологий.
Что принесет будущее сотрудничеству CUORE?
CUORE будет работать до 2024 года, и мы уже работаем над обновлением CUORE с идентификацией частиц — или CUPID. Мы заменим нынешние кристаллы диоксида теллура CUORE на кристаллы молибдата лития. Когда частицы, образующиеся в результате безнейтринного двойного бета-распада, взаимодействуют с молибдатом лития, они выделяют как тепло, так и свет. Этот свет будет обнаружен вместе с теплом, и отношение тепла к свету позволит нам отбросить фоновые события с участием частиц, которые не образуются в результате безнейтринного двойного бета-распада. Криогенная структура эксперимента также будет модернизирована.
