Фізик Лаура Маріні є координатором і менеджером кріогенної підземної обсерваторії рідкісних подій (CUORE). Експеримент, керований міжнародним співробітництвом, розташований глибоко під горою в італійському регіоні Абруццо в Національній лабораторії Гран-Сассо Національного інституту ядерної фізики. Маріні отримав ступінь доктора філософії з фізики в Університеті Генуї в 2018 році, а потім пройшов постдокторацію в Університеті Каліфорнії в Берклі. Вона почала працювати над CUORE під час отримання докторської дисертації, а сьогодні працює в італійському науковому інституті Гран Сассо та лабораторії Гран Сассо. Маріні поговорила з Річардом Блауштайном про свою роль у CUORE та нещодавню віху експерименту в поточному дослідженні того, чи є нейтрино частинками Майорани.
Чи можете ви описати свою подвійну роль у CUORE?
Наразі я є координатором поточного експерименту та менеджером сайту CUORE. Як координатор запуску, я стежу за тим, щоб експеримент продовжувався без зупинки. Це важливо, оскільки ми шукаємо надзвичайно рідкісні події, тому ми хочемо отримувати дані якомога довше без зупинки. Я працюю як над кріогенною частиною експерименту, так і над частиною збору даних. Я також працюю над мінімізацією рівня фонового шуму в експерименті, що також важливо під час пошуку рідкісних подій.
Моя роль менеджера сайту дещо ширша, ніж координатор роботи. Я керую інтерфейсом між експериментом і Національною лабораторією Гран-Сассо, координую діяльність на місці та організовую технічне обслуговування всіх систем і підсистем.
Чи можете ви описати CUORE і що він прагне виміряти?
CUORE шукає рідкісні події у фізиці, і він був спеціально розроблений для пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду. Очікується, що цей процес відбудеться, якщо нейтрино є своїми власними античастинками, тобто якщо вони є частинками Майорани. Відповідь на це питання є важливою, тому що якщо буде доведено, що нейтрино є майоранівськими частинками, буде розкрито таємницю того, чому маси нейтрино такі малі в рамках Стандартної моделі фізики елементарних частинок.
Ми шукаємо безнейтринний подвійний бета-розпад ізотопу телуру-130, оскільки відомо, що він зазнає звичайного подвійного бета-розпаду та має високу природну поширеність. CUORE містить 184 кристали діоксиду телуру, які зберігаються при температурі близько 10 мК у великому кріостаті. Кріостат не використовує рідкий гелій, а має п’ять кріоохолоджувачів з імпульсними трубками.
Експеримент має проводитися при дуже низькій температурі, оскільки ми шукаємо подвійний бета-розпад без нейтрин, виявляючи крихітне підвищення температури всередині кристала, яке відбувається через розпад. До CUORE можна було охолодити лише невеликий експериментальний об’єм і масу, але ми значно збільшили цей показник, охолодивши до 1.5 тонни матеріалу при базовій температурі. Ще одна перевага CUORE полягає в тому, що експеримент має дуже хорошу енергетичну роздільну здатність і працює в дуже широкому діапазоні енергії, що повинно допомогти йому ідентифікувати події розпаду.
Яке значення нещодавнього досягнення CUORE щодо отримання «тонни на рік» даних?
Тонна-рік означає масу оксиду телуру, що контролюється, помножену на тривалість часу, протягом якого експеримент збирав дані. Маса становить 741 кг, і дані були отримані під час прогонів, які проводилися між 2017 і 2020 роками. Не в кожному прогоні використовувалася повна маса, але всі разом були зібрані дані на одну тонну-рік.
У цьому є два важливі аспекти. По-перше, це перший раз, коли така велика маса була охолоджена в кріостаті. По-друге, оскільки ми змогли проводити експеримент протягом такого тривалого часу, ми показали, що кріогенні калориметри є життєздатним способом пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду.
Що вам і вашим колегам розповіли ці тонно-річні дані?
Щоб було зрозуміло, ми не знайшли частинок Майорани. Натомість ми змогли встановити нижню межу періоду напіврозпаду безнейтринного подвійного бета-розпаду. Тепер ми знаємо, що період напіврозпаду перевищує 2.2×1025 років. Ми можемо зробити такий висновок, тому що якби період напіврозпаду був коротшим, ми очікували б побачити принаймні одну або більше подій у CUORE.
Чи можна використовувати CUORE для дослідження інших областей фізики?
Так. CUORE призначений для пошуку рідкісних подій, і тому він має потенціал для пошуку темної матерії. Очікується, що частинки темної матерії будуть взаємодіяти з матеріалами детектора CUORE дуже рідко, і це призведе до виділення дуже невеликої кількості енергії. Таким чином, пошук темної матерії виграє від великої маси експерименту та тривалого часу. Пошук темної матерії включав би дослідження іншої енергетичної області в детекторі, і є групи фізиків у рамках співпраці CUORE, які розглядають цю можливість.
Чи має кріогенна віха CUORE якесь відношення до квантових обчислень?
Я не фахівець у квантових обчисленнях, але загалом твердотільні пристрої, які обробляють квантову інформацію, потребують тривалого часу квантової когерентності. Ми знаємо, що і тепло, і космогенне випромінювання зменшують час квантової когерентності. Проведення підземних експериментів із передовою кріогенною технікою забезпечує захист від цих негативних впливів. Хоча кристали діоксиду телуру від CUORE не можна використовувати для квантових обчислень, той факт, що ми досягли такого тривалого експерименту під землею з дуже великим кріостатом і чистими матеріалами, може бути потенційно дуже корисним для розвитку квантових технологій.
Що принесе майбутнє для співпраці CUORE?
CUORE працюватиме до 2024 року, і ми вже працюємо над оновленням CUORE з ідентифікацією частинок або CUPID. Ми замінимо поточні кристали діоксиду телуру CUORE на кристали молібдату літію. Коли частинки, отримані в безнейтринному подвійному бета-розпаді, взаємодіють з молібдатом літію, вони виробляють як тепло, так і світло. Це світло буде виявлено разом із теплом, і співвідношення тепла до світла дозволить нам відхилити фонові події за участю частинок, які не утворюються безнейтринним подвійним бета-розпадом. Також буде модернізована кріогенна структура експерименту.
