Fizik Laura Marini je koordinator vodenja in vodja lokacije Kriogenega podzemnega observatorija za redke dogodke (CUORE). Eksperiment, ki ga izvaja mednarodno sodelovanje, se nahaja globoko pod goro v italijanski regiji Abruzzo v nacionalnem laboratoriju Gran Sasso Nacionalnega inštituta za jedrsko fiziko. Marini je leta 2018 doktoriral iz fizike na Univerzi v Genovi in nato opravil podoktorski študij na Kalifornijski univerzi Berkeley. Na CUORE se je začela ukvarjati med doktoratom, danes pa je povezana z italijanskim znanstvenim inštitutom Gran Sasso in laboratorijem Gran Sasso. Marini se je z Richardom Blausteinom pogovarjala o svoji vlogi pri CUORE in nedavnem mejniku eksperimenta v tekoči raziskavi o tem, ali so nevtrini delci Majorana.
Ali lahko opišete svojo dvojno vlogo pri CUORE?
Trenutno sem koordinator vodenja za ta trenutni poskus in vodja mesta za CUORE. Kot koordinator izvajanja skrbim, da eksperiment teče brez ustavljanja. To je pomembno, ker iščemo izjemno redke dogodke, zato želimo podatke jemati čim dlje brez ustavljanja. Delam tako na kriogenem delu eksperimenta kot na delu zbiranja podatkov. Delam tudi na zmanjšanju ravni hrupa v ozadju v poskusu – kar je pomembno tudi pri iskanju redkih dogodkov.
Moja vloga vodje gradbišča je nekoliko širša od vloge koordinatorja vodenja. Ukvarjam se z vmesnikom med eksperimentom in nacionalnim laboratorijem Gran Sasso, usklajujem aktivnosti na kraju samem in organiziram vzdrževanje vseh sistemov in podsistemov.
Ali lahko opišete CUORE in kaj želi meriti?
CUORE išče redke dogodke v fiziki in je bil posebej zasnovan za iskanje dvojnega beta razpada brez nevtrinov. Pričakuje se, da se bo ta proces zgodil, če so nevtrini lastni antidelci – to je, če so delci Majorana. Odgovor na to vprašanje je pomemben, ker če se dokaže, da so nevtrini delci Majorana, bo razrešena skrivnost, zakaj so mase nevtrinov tako majhne v standardnem modelu fizike delcev.
Iščemo dvojni beta razpad brez nevtrinov v izotopu telur-130, ker je znano, da je podvržen navadnemu dvojnemu beta razpadu in ima visoko naravno številčnost. CUORE ima 184 kristalov telurijevega dioksida, ki se hranijo blizu 10 mK znotraj velikega kriostata. Kriostat ne uporablja tekočega helija, temveč ima pet pulznih cevnih kriohladilnikov.
Poskus je treba vzdrževati pri zelo nizki temperaturi, ker iščemo dvojni beta razpad brez nevtrinov z zaznavanjem majhnega povišanja temperature v kristalu, do katerega pride zaradi razpada. Pred CUORE je bilo mogoče ohladiti le majhno eksperimentalno prostornino in maso, vendar smo to izjemno povečali s hlajenjem do 1.5 tone materiala na osnovno temperaturo. Druga prednost CUORE je, da ima eksperiment zelo dobro energijsko ločljivost in deluje v zelo širokem energijskem območju - kar bi moralo pomagati pri prepoznavanju dogodkov razpada.
Kakšen je pomen nedavnega dosežka CUORE, ki je pridobil "tono na leto" podatkov?
Tona-leto se nanaša na maso spremljanega telurjevega oksida, pomnoženo s časom, v katerem so poskus zbirali podatke. Masa je 741 kg, podatki pa so bili pridobljeni v vožnjah, ki so bile opravljene med letoma 2017 in 2020. Vsaka vožnja ni vključevala uporabe celotne mase, vendar so bili vsi skupaj zbrani podatki v vrednosti ene tone na leto.
Pri tem sta pomembna dva vidika. Prvič, to je prvič, da je bila tako velika masa ohlajena v kriostatu. Drugič, ker smo lahko izvajali poskus tako dolgo, smo pokazali, da so kriogeni kalorimetri izvedljiv način za iskanje dvojnega beta razpada brez nevtrinov.
Kaj je to tonsko leto podatkov povedalo vam in vašim kolegom?
Da bo jasno, nismo našli Majorana delcev. Namesto tega smo lahko določili spodnjo mejo razpolovne dobe dvojnega beta razpada brez nevtrinov. Zdaj vemo, da je razpolovna doba večja od 2.2×1025 leta. To lahko sklepamo, ker če bi bila razpolovna doba krajša, bi pričakovali vsaj enega ali več dogodkov v CUORE.
Ali je mogoče CUORE uporabiti za raziskovanje drugih področij fizike?
ja CUORE je zasnovan za iskanje redkih dogodkov, zato ima potencial za iskanje temne snovi. Pričakuje se, da bodo delci temne snovi zelo redko sodelovali z materiali detektorja CUORE, kar bi vključevalo sproščanje zelo majhnih količin energije. Torej bi iskanje temne snovi koristilo veliki masi in dolgemu času eksperimenta. Iskanje temne snovi bi vključevalo raziskovanje druge energetske regije v detektorju in obstajajo skupine fizikov v sodelovanju CUORE, ki preučujejo to možnost.
Ali kriogeni mejnik CUORE vpliva na kvantno računalništvo?
Nisem strokovnjak za kvantno računalništvo, vendar na splošno polprevodniške naprave, ki obdelujejo kvantne informacije, zahtevajo dolge čase kvantne koherence. Vemo, da toplota in kozmogeno sevanje zmanjšata kvantne koherenčne čase. Izvajanje podzemnih poskusov z napredno kriogeniko nudi zaščito pred temi negativnimi učinki. Medtem ko kristalov telur dioksida CUORE ni mogoče uporabiti za kvantno računalništvo, je dejstvo, da smo dosegli tako dolgo eksperimentalno vožnjo pod zemljo z zelo velikim kriostatom in čistimi materiali, lahko potencialno zelo koristno za razvoj kvantnih tehnologij.
Kaj bo prinesla prihodnost za sodelovanje CUORE?
CUORE bo deloval do leta 2024 in že delamo na nadgradnji CUORE z identifikacijo delcev – ali CUPID. Trenutne kristale telurijevega dioksida CUORE bomo zamenjali s kristali litijevega molibdata. Ko delci, proizvedeni v dvojnem beta razpadu brez nevtrinov, medsebojno delujejo z litijevim molibdatom, proizvajajo tako toploto kot svetlobo. Ta svetloba bo zaznana skupaj s toploto, razmerje med toploto in svetlobo pa nam bo omogočilo, da zavrnemo dogodke v ozadju, ki vključujejo delce, ki niso proizvedeni z dvojnim beta razpadom brez nevtrinov. Nadgrajena bo tudi kriogena struktura eksperimenta.
