Hvilket aldrig før set radioaktivt henfald kunne fortælle os om neutrinoer

Bill Fairbank leder efter ... ingenting.

Colorado State University professor i fysik studerer de grundlæggende stofpartikler kendt som neutrinoer, og et yderst sjældent tilfælde af radioaktivt henfald, hvor neutrinoer - ellers til stede i sådanne henfald - ingen steder findes.

Denne teoretiserede, men aldrig før observerede proces, kaldet "neutrinoløst dobbelt-beta-henfald, "ville rokke partikelfysikkens verden. Hvis den opdages, det ville løse mangeårige mysterier om neutrinoers grundlæggende egenskaber, som er blandt de mest rigelige, men mindst forståede partikler i universet.

Siden 2005 har Fairbanks laboratorium har været en del af det internationale EXO-200 (Enriched Xenon Observatory) videnskabeligt samarbejde, jagt på neutrinløst dobbelt-beta-henfald ved hjælp af en partikeldetektor fyldt med superkold flydende xenon.

I et nyt gennembrud offentliggjort 29. april i tidsskriftet Natur , Fairbanks team har lagt grundlaget for en enkelt-atom belysningsstrategi kaldet barium-tagging. Deres præstation er den første kendte billeddannelse af enkeltatomer i en fast ædelgas.

Barium-mærkning kan vise sig at være en nøgle, der muliggør teknologi til at se neutrinoløst dobbelt-beta-henfald i en fremtid, opgraderet eksperiment kaldet nEXO. Vigtigt, bariummærkning ville give forskere mulighed for klart at identificere enkelt-atom-biprodukter af dobbelt-beta-henfald ved at adskille virkelige begivenheder fra baggrundsimposter-signaler.

EXO-200 partikeldetektoren er en halv kilometer under jorden i Carlsbad, Ny mexico, og er fyldt med 370 pund (ca. 170 kg) isotopisk berigede xenonatomer i flydende form. Sommetider, de ustabile xenon -isotoper undergår radioaktivt henfald, frigiver to elektroner og to neutrinoer, ændre xenonatomer til bariumatomer.

Hvis henfaldet producerer kun to elektroner og et bariumatom, det signalerer, at der kan være sket et neutrinløst dobbelt-beta-henfald. Og dette kan kun ske, hvis neutrinoen er dens egen lig, modsat antipartikel - et fremragende spørgsmål, som forskere gerne vil besvare gennem disse eksperimenter.

Bekræftelsen af ​​et sådant neutrinløst forfald ville være historisk, kræver opdateringer til standardmodellen for partikelfysik. Ud over, forfaldets målte halveringstid ville hjælpe forskere indirekte med at måle de absolutte masser af neutrinoer-en bedrift, der aldrig før er opnået. Endelig, hvis neutrinoløst dobbelt-beta-henfald eksisterer, forskere kunne bruge disse oplysninger til at lære, hvorfor universet har så meget stof, men så lidt antimateriale. Indtil nu, EXO-200-detektoren har produceret henfaldshændelser med den korrekte energi, men intet endeligt overskud over, hvad der forventes af den målte detektorbaggrund.

"I EXO-200, vi havde sådan noget som 40 forfaldshændelser på to år, "Sagde Fairbank." Men vi kunne ikke fortælle præcis, hvor mange af dem, hvis nogen, var virkelige. "

Som at sigte gennem bunker af marmor, der ligner ensartet, at skelne mellem det virkelige forfald og lignende begivenheder i baggrunden har været et centralt problem for forskerne. Det er her Fairbanks bariummærkning kommer ind. Hvis bariummærkning med succes implementeres i en senere opgradering af nEXO -detektoren, der i øjeblikket er ved at blive designet, detektorens følsomhed over for neutrinoløst dobbelt-beta-henfald kan stige med op til en faktor 4. Dette ville være en betydelig opgradering for nEXO-eksperimentet på flere millioner dollars. Hvis der observeres et positivt signal, forskere kan bruge bariummærkning til med sikkerhed at vide, at de har set det henfald, de leder efter.

Bariummærkningsarbejdet blev støttet af National Science Foundation INSPIRE -programmet.

"Det er fantastisk at tænke på, hvor følsomme disse eksperimenter er, "sagde John Gillaspy, en fysiker ved National Science Foundation. "I forsøg for 30 år siden, Jeg fandt det udfordrende at lede efter 'en ud af en million' eksotiske atomer. Denne nye undersøgelse søgte efter atomer, der var 10 millioner gange mere sjældne. Fysik og kemi er nået langt. Jeg er spændt på at tænke på, hvad Fairbank og hans kolleger i sidste ende kan finde ved hjælp af denne nye teknik, da det rummer potentialet til virkelig at ryste det, vi ved om virkelighedens grundlæggende natur. "

I deres Natur offentliggørelse, Fairbanks team beskriver at bruge en kryogen sonde til at fastfryse barium "datter" -atomet-produceret ved radioaktivt henfald af isotopen xenon-136-i fast xenon i enden af ​​sonden. Derefter, de bruger laserfluorescens til at belyse individuelle bariumatomer i det nu solide xenon.

"Vores gruppe var ret begejstrede, da vi fik billeder af enkelte bariumatomer, "sagde Fairbank, som har ledet forsøget i flere år. Fairbanks enkeltatom-taggingsteknik kan også generaliseres til andre applikationer, med konsekvenser for områder, herunder atomfysik, optisk fysik og kemi.