Fysiker Laura Marini drivs koordinator och platschef för Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE). Experimentet drivs av ett internationellt samarbete och ligger djupt under ett berg i Italiens Abruzzo-region vid Gran Sasso National Laboratory vid National Institute of Nuclear Physics. Marini doktorerade i fysik från University of Genoa 2018 och gjorde sedan en postdoc vid University of California, Berkeley. Hon började arbeta på CUORE under sin doktorsexamen och idag är hon knuten till Italiens Gran Sasso Science Institute och Gran Sasso-labbet. Marini pratade med Richard Blaustein om hennes roll på CUORE och experimentets senaste milstolpe i dess pågående undersökning av om neutriner är Majorana-partiklar.
Kan du beskriva din dubbla roll på CUORE?
Just nu är jag koordinator för detta nuvarande experiment och platschef för CUORE. Som körkoordinator ser jag till att experimentet fortsätter att köras utan att stanna. Detta är viktigt eftersom vi letar efter extremt sällsynta händelser, så vi vill ta data så länge som möjligt utan att stanna. Jag arbetar med både den kryogena delen av experimentet och datainsamlingsdelen. Jag arbetar också med att minimera bakgrundsljudnivån i experimentet – vilket också är viktigt när man letar efter sällsynta händelser.
Min platschefsroll är lite bredare än körsamordnare. Jag hanterar gränssnittet mellan experimentet och Gran Sasso National Laboratory, koordinerar aktiviteter på plats och organiserar underhållet av alla system och delsystem.
Kan du beskriva CUORE och vad den försöker mäta?
CUORE letar efter sällsynta händelser inom fysiken och den designades speciellt för att söka efter neutrinolös dubbel beta-sönderfall. Denna process förväntas inträffa om neutriner är deras egna anti-partiklar – det vill säga om de är Majorana-partiklar. Att svara på denna fråga är viktigt eftersom om neutrinos bevisas vara Majorana-partiklar, kommer mysteriet om varför neutrinomassorna är så små inom partikelfysikens standardmodell att lösas.
Vi söker efter neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall i isotopen tellur-130 eftersom det är känt för att genomgå vanligt dubbelbeta-sönderfall och det har en hög naturlig förekomst. CUORE har 184 tellurdioxidkristaller som hålls nära 10 mK inuti en stor kryostat. Kryostaten använder inte flytande helium utan har snarare fem pulsrörskryokylare.
Experimentet måste hållas vid en mycket låg temperatur eftersom vi söker efter neutrinolös dubbel beta-sönderfall genom att detektera den lilla ökningen i temperatur i en kristall som uppstår på grund av sönderfallet. Innan CUORE kunde endast en liten experimentell volym och massa kylas men vi har ökat detta enormt genom att kyla upp till 1.5 ton material vid bastemperatur. En annan fördel med CUORE är att experimentet har mycket bra energiupplösning och fungerar över ett mycket brett energiområde – vilket borde hjälpa det att identifiera sönderfallshändelser.
Vad är betydelsen av CUOREs senaste prestation att skaffa ett "ton-år" av data?
Tonår avser massan av telluroxiden som övervakas multiplicerat med den tid som experimentet samlade in data. Vikten är 741 kg och data insamlades i körningar som gjordes mellan 2017 och 2020. Inte varje körning involverade att använda hela massan, men sammantaget samlades data in för ett ton år.
Det finns två viktiga aspekter på detta. För det första är det första gången som en så stor massa har kylts i en kryostat. För det andra, eftersom vi kunde köra experimentet under så lång tid, har vi visat att kryogena kalorimetrar är ett gångbart sätt att söka efter neutrinolöst dubbel beta-sönderfall.
Vad berättade detta tonåriga data för dig och dina kollegor?
För att vara tydlig har vi inte hittat Majorana-partiklar. Istället har vi kunnat sätta en nedre gräns för halveringstiden för neutrinolös dubbel beta-sönderfall. Vi vet nu att halveringstiden är större än 2.2×1025 år. Vi kan dra slutsatsen att om halveringstiden var kortare skulle vi ha förväntat oss att se åtminstone en eller flera händelser i CUORE.
Kan CUORE användas för att utforska andra fysikområden?
Ja. CUORE är designad för att söka efter sällsynta händelser och därför har den potential att leta efter mörk materia. Partiklar av mörk materia förväntas interagera med CUOREs detektormaterial mycket sällan och detta skulle innebära frigörande av mycket små mängder energi. Så sökandet efter mörk materia skulle dra nytta av experimentets stora massa och långa körtid. En sökning av mörk materia skulle innebära att utforska en annan energiregion i detektorn och det finns grupper av fysiker inom CUORE-samarbetet som tittar på den möjligheten.
Har CUOREs kryogena milstolpe någon betydelse för kvantberäkning?
Jag är ingen expert på kvantberäkning, men generellt kräver solid state-enheter som bearbetar kvantinformation långa kvantkoherenstider. Vi vet att värme och kosmogen strålning båda minskar kvantkoherenstider. Att köra experiment under jorden med avancerad kryogenik ger skydd mot dessa negativa effekter. Medan CUOREs tellurdioxidkristaller inte kan användas för kvantberäkning, kan det faktum att vi har uppnått en så lång experimentell körning under jorden med en mycket stor kryostat och med rena material vara potentiellt mycket användbart för utvecklingen av kvantteknologier.
Vad kommer framtiden att ge för CUORE-samarbetet?
CUORE kommer att pågå till 2024 och vi arbetar redan med CUORE-uppgraderingen med partikelidentifiering – eller CUPID. Vi kommer att ersätta CUOREs nuvarande tellurdioxidkristaller med litiummolybdatkristaller. När partiklar som produceras i neutrinolöst dubbel beta-sönderfall interagerar med litiummolybdat producerar de både värme och ljus. Detta ljus kommer att detekteras tillsammans med värmen, och förhållandet mellan värme och ljus kommer att tillåta oss att avvisa bakgrundshändelser som involverar partiklar som inte produceras av neutrinofritt dubbel beta-sönderfall. Den kryogena strukturen för experimentet kommer också att uppgraderas.
