Bill Fairbank is op zoek naar... niets.

De hoogleraar natuurkunde aan de Colorado State University bestudeert de fundamentele materiedeeltjes die bekend staan ​​als neutrino's, en een buitengewoon zeldzaam geval van radioactief verval waarbij neutrino's - anders aanwezig in dergelijk verval - nergens te vinden zijn.

Dit getheoretiseerde maar nooit eerder waargenomen proces, genaamd "neutrinoloos dubbel-bèta-verval, " zou de wereld van de deeltjesfysica op zijn grondvesten doen schudden. Indien ontdekt, het zou al lang bestaande mysteries over de basiseigenschappen van neutrino's oplossen, die behoren tot de meest voorkomende maar minst begrepen deeltjes in het universum.

Sinds 2005, Het laboratorium van Fairbank maakte deel uit van de internationale EXO-200 (Enriched Xenon Observatory) wetenschappelijke samenwerking, op jacht naar neutrinoloos dubbel-bèta-verval met behulp van een deeltjesdetector gevuld met superkoud vloeibaar xenon.

In een nieuwe doorbraak gepubliceerd op 29 april in het tijdschrift Natuur , Het team van Fairbank heeft de basis gelegd voor een verlichtingsstrategie met één atoom, barium-tagging genaamd. Hun prestatie is de eerste bekende afbeelding van afzonderlijke atomen in een vast edelgas.

Barium-tagging zou een sleuteltechnologie kunnen zijn om in de toekomst neutrinoloos dubbel-bèta-verval te zien, geüpgraded experiment genaamd nEXO. Cruciaal, Barium-tagging zou wetenschappers in staat stellen om enkel-atoom bijproducten van dubbel-bèta-verval duidelijk te lokaliseren door echte gebeurtenissen te scheiden van achtergrondbedriegersignalen.

De deeltjesdetector EXO-200 bevindt zich 800 meter onder de grond in Carlsbad, New Mexico, en is gevuld met 370 pond (ongeveer 170 kilogram) isotopisch verrijkte xenonatomen in vloeibare vorm. Soms, de onstabiele xenon-isotopen ondergaan radioactief verval, waarbij twee elektronen en twee neutrino's vrijkomen, het veranderen van de xenon-atomen in bariumatomen.

Als het verval slechts twee elektronen en een bariumatoom produceert, het geeft aan dat er mogelijk een neutrinoloos dubbel-bèta-verval heeft plaatsgevonden. En dit kan alleen gebeuren als het neutrino zijn eigen gelijke is, tegenovergestelde antideeltje - een uitstekende vraag die wetenschappers willen beantwoorden door middel van deze experimenten.

De bevestiging van zo'n neutrinoloos verval zou historisch zijn, updates van het standaardmodel van deeltjesfysica vereisen. In aanvulling, de gemeten halfwaardetijd van het verval zou wetenschappers helpen om indirect de absolute massa's van neutrino's te meten - een prestatie die nog nooit eerder is bereikt. Eindelijk, als er neutrinoloos dubbel-bèta-verval bestaat, wetenschappers zouden die informatie kunnen gebruiken om te ontdekken waarom het universum zoveel materie heeft, maar zo weinig antimaterie. Tot dusver, de EXO-200-detector heeft vervalgebeurtenissen met de juiste energie geproduceerd, maar geen definitieve overschrijding van wat wordt verwacht van de gemeten detectorachtergrond.

"Bij EXO-200, we hadden iets van 40 vervalgebeurtenissen in twee jaar, ' zei Fairbank. 'Maar we konden niet precies zeggen hoeveel daarvan, indien van toepassing, waren echt."

Zoals het doorzoeken van stapels identiek uitziende knikkers, onderscheid maken tussen het echte verval en gelijkaardige achtergrondgebeurtenissen was een centraal probleem voor de onderzoekers. Dat is waar de barium-tagging van Fairbank van pas komt. Als barium-tagging met succes wordt geïmplementeerd in een latere upgrade van de nEXO-detector die momenteel wordt ontworpen, de gevoeligheid van de detector voor neutrinoloos dubbel-bèta-verval zou met een factor 4 kunnen toenemen. Dit zou een belangrijke upgrade zijn voor het nEXO-experiment van meerdere miljoenen dollars. Als er een positief signaal wordt waargenomen, wetenschappers kunnen barium-tagging gebruiken om zeker te weten dat ze het verval hebben gezien waarnaar ze op zoek zijn.

Het werk van het taggen van barium werd ondersteund door het INSPIRE-programma van de National Science Foundation.

"Het is verbazingwekkend om te bedenken hoe gevoelig deze experimenten zijn, " zei John Gillaspy, een natuurkundige bij de National Science Foundation. "Bij experimenten 30 jaar geleden, Ik vond het een uitdaging om te zoeken naar 'één op een miljoen' exotische atomen. Deze nieuwe studie zocht naar atomen die 10 miljoen keer zeldzamer waren. Natuurkunde en scheikunde hebben een lange weg afgelegd. Ik ben opgewonden om na te denken over wat Fairbank en zijn collega's uiteindelijk kunnen vinden met deze nieuwe techniek, omdat het de potentie heeft om wat we weten over de fundamentele aard van de realiteit echt door elkaar te schudden."

in hun Natuur publicatie, Het team van Fairbank beschrijft het gebruik van een cryogene sonde om het barium-"dochter" -atoom - geproduceerd door radioactief verval van de isotoop xenon-136 - te bevriezen in vast xenon aan het uiteinde van de sonde. Vervolgens, ze gebruiken laserfluorescentie om individuele bariumatomen in het nu vaste xenon te verlichten.

"Onze groep was behoorlijk opgewonden toen we beelden kregen van enkele bariumatomen, " zei Fairbank, die het experiment al enkele jaren leidt. De single-atom tagging-techniek van Fairbank kan ook worden gegeneraliseerd voor andere toepassingen, met implicaties voor onder meer kernfysica, optische fysica en chemie.