Vật lý Laura Marini được điều hành điều phối viên và quản lý địa điểm của Đài quan sát ngầm Cryogen dành cho các sự kiện hiếm gặp (CUORE). Được điều hành bởi sự hợp tác quốc tế, thí nghiệm nằm sâu dưới một ngọn núi ở vùng Abruzzo của Ý tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso của Viện Vật lý Hạt nhân Quốc gia. Marini nhận bằng tiến sĩ vật lý tại Đại học Genoa vào năm 2018 và sau đó làm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley. Cô ấy bắt đầu làm việc với CUORE trong thời gian học Tiến sĩ và hiện nay cô ấy được liên kết với Viện Khoa học Gran Sasso của Ý và phòng thí nghiệm Gran Sasso. Marini đã nói chuyện với Richard Blaustein về vai trò của cô tại CUORE và cột mốc quan trọng gần đây của thí nghiệm trong cuộc điều tra đang diễn ra của nó về việc liệu neutrino có phải là hạt Majorana hay không.
Bạn có thể mô tả vai trò kép của mình tại CUORE không?
Hiện tại, tôi đang điều hành điều phối viên cho thử nghiệm hiện tại này và là người quản lý địa điểm cho CUORE. Với tư cách là người điều phối hoạt động, tôi đảm bảo rằng thử nghiệm sẽ tiếp tục chạy mà không dừng lại. Điều này rất quan trọng vì chúng tôi đang tìm kiếm các sự kiện cực kỳ hiếm, vì vậy chúng tôi muốn lấy dữ liệu càng lâu càng tốt mà không dừng lại. Tôi làm việc trên cả phần đông lạnh của thí nghiệm và phần thu thập dữ liệu. Tôi cũng làm việc để giảm thiểu mức độ tiếng ồn xung quanh trong thử nghiệm – điều này cũng rất quan trọng khi tìm kiếm các sự kiện hiếm gặp.
Vai trò người quản lý địa điểm của tôi rộng hơn một chút so với điều phối viên điều hành. Tôi xử lý giao diện giữa thí nghiệm và Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso, điều phối các hoạt động tại chỗ và tổ chức bảo trì tất cả các hệ thống và hệ thống con.
Bạn có thể mô tả CUORE và những gì nó đang tìm cách đo lường không?
CUORE tìm kiếm các sự kiện hiếm gặp trong vật lý học và nó được thiết kế đặc biệt để tìm kiếm sự phân rã beta kép không có neutrino. Quá trình này được cho là sẽ xảy ra nếu neutrino là phản hạt của chính chúng – nghĩa là, nếu chúng là hạt Majorana. Trả lời câu hỏi này rất quan trọng vì nếu neutrino được chứng minh là hạt Majorana, thì bí ẩn tại sao khối lượng neutrino lại quá nhỏ trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt cơ bản sẽ được giải quyết.
Chúng tôi tìm kiếm phân rã beta kép không có neutrino trong đồng vị Tellurium-130 vì nó được biết là trải qua quá trình phân rã beta kép thông thường và nó có độ phong phú tự nhiên cao. CUORE có 184 tinh thể Tellurium dioxide được giữ ở nhiệt độ gần 10 mK bên trong một máy lạnh lớn. Bộ làm lạnh không sử dụng helium lỏng mà có năm bộ làm lạnh ống xung.
Thí nghiệm phải được giữ ở nhiệt độ rất thấp vì chúng tôi tìm kiếm sự phân rã beta kép không có hạt neutrino bằng cách phát hiện sự gia tăng rất nhỏ về nhiệt độ bên trong một tinh thể xảy ra do sự phân rã. Trước CUORE, chỉ có thể làm mát một thể tích và khối lượng thử nghiệm nhỏ nhưng chúng tôi đã tăng khả năng này lên rất nhiều bằng cách làm mát tới 1.5 tấn vật liệu ở nhiệt độ cơ bản. Một ưu điểm khác của CUORE là thí nghiệm có độ phân giải năng lượng rất tốt và hoạt động trên một dải năng lượng rất rộng – điều này sẽ giúp nó xác định các sự kiện phân rã.
Tầm quan trọng của thành tích gần đây của CUORE trong việc thu thập dữ liệu “tấn-năm” là gì?
Tấn-năm đề cập đến khối lượng của telua oxit được theo dõi nhân với khoảng thời gian thí nghiệm thu thập dữ liệu. Khối lượng là 741 kg và dữ liệu được thu thập trong các lần chạy được thực hiện từ năm 2017 đến năm 2020. Không phải mọi lần chạy đều liên quan đến việc sử dụng toàn bộ khối lượng, nhưng tất cả dữ liệu trị giá một tấn năm đều được thu thập
Có hai khía cạnh quan trọng đối với điều này. Đầu tiên, đây là lần đầu tiên một khối lượng lớn như vậy được làm lạnh trong một bộ điều hòa nhiệt độ. Thứ hai, vì chúng tôi đã có thể chạy thí nghiệm trong một thời gian dài như vậy, nên chúng tôi đã chỉ ra rằng nhiệt lượng kế đông lạnh là một cách khả thi để tìm kiếm phân rã beta kép không có neutrino.
Hàng tấn dữ liệu hàng năm này đã cho bạn và đồng nghiệp của bạn biết điều gì?
Để rõ ràng, chúng tôi đã không tìm thấy các hạt Majorana. Thay vào đó, chúng ta đã có thể đặt giới hạn thấp hơn cho chu kỳ bán rã của phân rã beta kép không có neutrino. Bây giờ chúng ta biết rằng chu kỳ bán rã lớn hơn 2.2 × 1025 năm. Chúng ta có thể kết luận điều này bởi vì nếu chu kỳ bán rã ngắn hơn, chúng ta sẽ thấy ít nhất một hoặc nhiều sự kiện trong CUORE.
CUORE có thể được sử dụng để khám phá các lĩnh vực vật lý khác không?
Đúng. CUORE được thiết kế để tìm kiếm các sự kiện hiếm gặp và do đó nó có khả năng tìm kiếm vật chất tối. Các hạt vật chất tối dự kiến sẽ rất hiếm khi tương tác với vật liệu máy dò của CUORE và điều này sẽ liên quan đến việc giải phóng một lượng năng lượng rất nhỏ. Vì vậy, việc tìm kiếm vật chất tối sẽ được hưởng lợi từ khối lượng lớn và thời gian dài của thí nghiệm. Một cuộc tìm kiếm vật chất tối sẽ liên quan đến việc khám phá một vùng năng lượng khác trong máy dò và có những nhóm nhà vật lý trong cộng tác CUORE đang xem xét khả năng đó.
Cột mốc đông lạnh của CUORE có ảnh hưởng gì đến điện toán lượng tử không?
Tôi không phải là chuyên gia về điện toán lượng tử, nhưng nói chung, các thiết bị trạng thái rắn xử lý thông tin lượng tử đòi hỏi thời gian kết hợp lượng tử lâu. Chúng ta biết rằng nhiệt và bức xạ vũ trụ đều làm giảm thời gian kết hợp lượng tử. Chạy thử nghiệm dưới lòng đất với chất làm lạnh tiên tiến giúp bảo vệ khỏi những tác động tiêu cực này. Mặc dù các tinh thể Tellurium dioxide của CUORE không thể được sử dụng cho tính toán lượng tử, nhưng thực tế là chúng tôi đã đạt được một thử nghiệm dài như vậy dưới lòng đất với một bộ điều nhiệt rất lớn và với các vật liệu sạch có thể rất hữu ích cho sự phát triển của các công nghệ lượng tử.
Tương lai sẽ mang lại điều gì cho sự hợp tác của CUORE?
CUORE sẽ hoạt động cho đến năm 2024 và chúng tôi đang thực hiện Nâng cấp CUORE với Nhận dạng hạt – hay CUPID. Chúng tôi sẽ thay thế tinh thể Tellurium dioxide hiện tại của CUORE bằng tinh thể lithium molybdate. Khi các hạt được tạo ra trong phân rã beta kép không có neutrino tương tác với lithium molybdate, chúng tạo ra cả nhiệt và ánh sáng. Ánh sáng này sẽ được phát hiện cùng với nhiệt và tỷ lệ nhiệt trên ánh sáng sẽ cho phép chúng ta loại bỏ các sự kiện nền liên quan đến các hạt không được tạo ra bởi phân rã beta kép phi neutrino. Cấu trúc đông lạnh của thí nghiệm cũng sẽ được nâng cấp.
