Fizikçi laura marini Nadir Olaylar için Kriyojenik Yeraltı Gözlemevi'nin (CUORE) koordinatörü ve saha yöneticisidir. Uluslararası bir işbirliğiyle yürütülen deney, İtalya'nın Abruzzo bölgesindeki bir dağın derinliklerinde, Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü'nün Gran Sasso Ulusal Laboratuvarı'nda bulunuyor. Marini, 2018 yılında Cenova Üniversitesi'nden fizik alanında doktora derecesini aldı ve ardından Berkeley'deki California Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırma yaptı. Doktorası sırasında CUORE üzerinde çalışmaya başladı ve bugün İtalya'nın Gran Sasso Bilim Enstitüsü ve Gran Sasso laboratuvarına bağlı. Marini, Richard Blaustein'a CUORE'daki rolü ve nötrinoların Majorana parçacıkları olup olmadığına ilişkin devam eden araştırmasında deneyin son kilometre taşı hakkında konuştu.
CUORE'daki ikili rolünüzü anlatabilir misiniz?
Şu anda bu mevcut deneyin koordinatörü ve CUORE'un saha yöneticisi olarak görev yapıyorum. Çalıştırma koordinatörü olarak deneyin durmadan devam etmesini sağlıyorum. Bu önemlidir çünkü son derece nadir olayları arıyoruz, bu nedenle verileri durmadan mümkün olduğu kadar uzun süre almak istiyoruz. Deneyin hem kriyojenik kısmında hem de veri toplama kısmında çalışıyorum. Ayrıca deneyde arka plandaki gürültü seviyesini en aza indirmeye çalışıyorum; bu, nadir olayları ararken de önemlidir.
Site yöneticisi rolüm, çalıştırma koordinatöründen biraz daha geniş. Deney ile Gran Sasso Ulusal Laboratuvarı arasındaki arayüzü yönetiyorum, sahadaki faaliyetleri koordine ediyorum ve tüm sistem ve alt sistemlerin bakımını organize ediyorum.
CUORE'u ve neyi ölçmeye çalıştığını açıklayabilir misiniz?
CUORE, fizikteki nadir olayları arar ve nötrinosuz çift beta bozunumunu araştırmak için özel olarak tasarlanmıştır. Bu sürecin, nötrinoların kendi anti-parçacıkları olması, yani Majorana parçacıkları olması durumunda gerçekleşmesi bekleniyor. Bu soruyu cevaplamak önemlidir çünkü nötrinoların Majorana parçacıkları olduğu kanıtlanırsa, parçacık fiziğinin Standart Modelinde nötrino kütlelerinin neden bu kadar küçük olduğunun gizemi çözülecektir.
Tellurium-130 izotopunda nötrinosuz çift beta bozunması arıyoruz çünkü bunun sıradan çift beta bozunmasına uğradığı biliniyor ve doğal bolluğu yüksek. CUORE, büyük bir kriyostat içinde 184 mK'ye yakın tutulan 10 tellür dioksit kristaline sahiptir. Kriyostat sıvı helyum kullanmaz, bunun yerine beş darbe tüplü kriyo soğutucuya sahiptir.
Deneyin çok düşük bir sıcaklıkta tutulması gerekiyor çünkü nötrinosuz çift beta bozunumunu, bozunma nedeniyle meydana gelen bir kristal içindeki küçük sıcaklık artışını tespit ederek araştırıyoruz. CUORE'dan önce yalnızca küçük bir deneysel hacim ve kütle soğutulabiliyordu ancak biz bunu, temel sıcaklıkta 1.5 ton malzemeye kadar soğutarak bunu çok büyük ölçüde artırdık. CUORE'un bir diğer avantajı da deneyin çok iyi bir enerji çözünürlüğüne sahip olması ve çok geniş bir enerji aralığında çalışmasıdır; bu da bozunum olaylarını tanımlamaya yardımcı olacaktır.
CUORE'un yakın zamanda “ton-yıllık” veri elde etme başarısının önemi nedir?
Ton-yıl, izlenen tellür oksit kütlesinin deneyin veri topladığı süre ile çarpımını ifade eder. Kütle 741 kg olup veriler 2017 ile 2020 yılları arasında yapılan çalışmalardan elde edilmiştir. Her çalışmada kütlenin tamamı kullanılmamıştır ancak hep birlikte bir ton yıllık veri toplanmıştır.
Bunun iki önemli yönü var. Birincisi, ilk kez bu kadar büyük bir kütle bir kriyostatta soğutuluyor. İkincisi, deneyi bu kadar uzun süre yürütebildiğimiz için, kriyojenik kalorimetrelerin nötrinosuz çift beta bozunumunu araştırmak için uygun bir yol olduğunu gösterdik.
Bu ton yıllık veriler size ve meslektaşlarınıza ne anlattı?
Açık olmak gerekirse Majorana parçacıklarını bulamadık. Bunun yerine nötrinosuz çift beta bozunmasının yarı ömrüne daha düşük bir sınır koyabildik. Artık yarılanma ömrünün 2.2×10'dan büyük olduğunu biliyoruz.25 yıllar. Bu sonuca varabiliriz çünkü yarı ömür daha kısa olsaydı CUORE'da en az bir veya daha fazla olay görmeyi beklerdik.
CUORE fiziğin diğer alanlarını keşfetmek için kullanılabilir mi?
Evet. CUORE nadir olayları aramak üzere tasarlandı ve bu nedenle karanlık maddeyi arama potansiyeline sahip. Karanlık madde parçacıklarının CUORE'un dedektör malzemeleriyle çok nadiren etkileşime girmesi bekleniyor ve bu da çok küçük miktarlarda enerjinin salınmasını gerektirecek. Dolayısıyla karanlık madde arayışı, deneyin büyük kütlesinden ve uzun çalışma süresinden faydalanacaktır. Karanlık madde araştırması, dedektördeki başka bir enerji bölgesinin keşfedilmesini içerecektir ve CUORE işbirliği içinde bu olasılığa bakan fizikçi grupları bulunmaktadır.
CUORE'un kriyojenik dönüm noktasının kuantum hesaplamayla bir ilgisi var mı?
Kuantum hesaplama konusunda uzman değilim ancak genel olarak kuantum bilgisini işleyen katı hal cihazları uzun kuantum tutarlılık süreleri gerektirir. Isı ve kozmojenik radyasyonun kuantum tutarlılık sürelerini azalttığını biliyoruz. Gelişmiş kriyojeniklerle yeraltında deneyler yapmak, bu olumsuz etkilerden korunma sağlar. CUORE'un tellür dioksit kristalleri kuantum hesaplama için kullanılamasa da, çok büyük bir kriyostat ve temiz malzemelerle yeraltında bu kadar uzun bir deneysel çalışma gerçekleştirmiş olmamız, kuantum teknolojilerinin geliştirilmesi için potansiyel olarak çok yararlı olabilir.
Gelecek CUORE işbirliğine neler getirecek?
CUORE 2024'e kadar çalışacak ve halihazırda Parçacık Tanımlama veya CUPID ile CUORE Yükseltmesi üzerinde çalışıyoruz. CUORE'un mevcut tellür dioksit kristallerini lityum molibdat kristalleriyle değiştireceğiz. Nötrinosuz çift beta bozunumunda üretilen parçacıklar lityum molibdat ile etkileşime girdiğinde hem ısı hem de ışık üretirler. Bu ışık, ısıyla birlikte tespit edilecek ve ısı-ışık oranı, nötrinosuz çift beta bozunumu tarafından üretilmeyen parçacıkları içeren arka plan olaylarını reddetmemize olanak tanıyacak. Deneyin kriyojenik yapısı da iyileştirilecek.
