亞利桑那州立學(xué)院化學(xué)學(xué)院士研究的是被稱為中微子的基本物質(zhì)粒子，以及一種非常罕見的放射性衰變，在這些衰變中，中微子（就存在于這些衰變中）是無處可尋的。這一理論化但未曾被觀測(cè)到的過程，被稱為“無中子雙β衰變”，將撼動(dòng)粒子化學(xué)學(xué)的世界。倘若被發(fā)覺，它將解開關(guān)于中微子基本性質(zhì)的常年謎題，中微子是宇宙中數(shù)目最多但卻最不為人所知的粒子之一。自2005年以來，費(fèi)爾班克實(shí)驗(yàn)室仍然是國際EXO-200(富集氙天文臺(tái))科學(xué)合作的一部份，借助一個(gè)飽含超冷液態(tài)氙的粒子偵測(cè)器找尋無中子雙β衰變。
在2019年4月29日發(fā)表在《自然》上的一項(xiàng)新突破中費(fèi)爾班克團(tuán)隊(duì)為一種名為鋇標(biāo)記的單原子照明策略奠定了基礎(chǔ)，她們的成就是已知第一個(gè)固態(tài)惰性二氧化碳中單個(gè)原子的成像。鋇標(biāo)記可能被證明是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以在未來看到無中子雙β衰變，升級(jí)的實(shí)驗(yàn)稱為nEXO。
至關(guān)重要的是，鋇標(biāo)記將使科學(xué)家們就能通過將真實(shí)風(fēng)波與背景冒名者訊號(hào)分離開來，清楚地確定雙β衰變的單原子副產(chǎn)品。EXO-200粒子偵測(cè)器坐落新愛爾蘭州卡爾斯巴德地下半英里處，上面裝滿了370磅(約170公斤)重的液態(tài)核素富集氙原子。有時(shí)，不穩(wěn)定的氙核素會(huì)發(fā)生放射性衰變，釋放兩個(gè)電子和兩個(gè)中微子，把氙原子弄成鋇原子。
弗吉尼亞州立學(xué)院化學(xué)學(xué)院士比爾·費(fèi)爾班克和實(shí)驗(yàn)室的單原子成像設(shè)備。圖片：John/State
假如衰變只形成兩個(gè)電子和一個(gè)鋇原子放射性衰變，則表明可能發(fā)生了無中子雙β衰變。只有當(dāng)中微子本身是相等的反粒午時(shí)，這才可能發(fā)生——科學(xué)家想通過這種實(shí)驗(yàn)來回答這個(gè)突出的問題。否認(rèn)這些無中子衰變將是歷史性的，須要更新粒子化學(xué)學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。據(jù)悉，檢測(cè)到的衰變半衰期將有助于科學(xué)家間接檢測(cè)中微子絕對(duì)質(zhì)量——這是一項(xiàng)史無前例的偉績(jī)。
最后，假如沒有中微子的雙β衰變確實(shí)存在，科學(xué)家可以借助這種信息來了解為何宇宙中有如此多物質(zhì)，而反物質(zhì)卻這么少。到目前為止放射性衰變，EXO-200偵測(cè)器早已形成了正確能量的衰變風(fēng)波，但并沒有超過從檢測(cè)偵測(cè)器背景中預(yù)期的準(zhǔn)確短缺。在EXO-200中三年內(nèi)經(jīng)歷了大概40次衰變風(fēng)波，但我們難以準(zhǔn)確說出其中有多少。
如同在一堆看上去一樣的花崗巖中進(jìn)行篩選一樣，分辨真實(shí)衰變和相像背景風(fēng)波仍然是研究人員的中心問題。這就是費(fèi)爾班克鋇標(biāo)簽的作用。假如鋇標(biāo)記在目前正在設(shè)計(jì)nEXO偵測(cè)器的后續(xù)升級(jí)中成功施行，該偵測(cè)器對(duì)無中子雙β衰變的靈敏度可提升至多4倍。這將是對(duì)價(jià)值數(shù)百萬歐元的nEXO實(shí)驗(yàn)的重大升級(jí)。
假如觀察到一個(gè)積極訊號(hào)，科學(xué)家可以使用鋇標(biāo)記來確定早已聽到了她們正在尋覓的衰變。鋇標(biāo)記工作是由國家科學(xué)基金會(huì)激勵(lì)計(jì)劃捐助，國家科學(xué)基金會(huì)的化學(xué)學(xué)家John說：想到那些實(shí)驗(yàn)是這么的敏感，真是令人驚嘆。在30年前的實(shí)驗(yàn)中，我發(fā)覺找尋‘百萬分之一’的外來原子很有挑戰(zhàn)性。
這項(xiàng)新研究找尋的是比這更稀有1000萬倍的原子，化學(xué)和物理早已取得了很大的進(jìn)步。我很激動(dòng)地想到費(fèi)爾班克和朋友們最終可能會(huì)發(fā)覺使用這些新技術(shù)，由于它有潛力真正改變我們對(duì)現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。費(fèi)爾班克團(tuán)隊(duì)在《自然》wiki上描述了怎樣使用高溫探針來冷藏鋇原子的“子體”。
鋇原子是由探針末端的核素氙-136-In固體氙的放射性衰變形成。之后用激光螢光點(diǎn)亮現(xiàn)今固態(tài)氙中的單個(gè)鋇原子。費(fèi)爾班克說：當(dāng)我們得到單個(gè)鋇原子的圖象時(shí)，團(tuán)隊(duì)特別激動(dòng)，費(fèi)爾班克的單原子標(biāo)記技術(shù)也可以推廣到其他應(yīng)用領(lǐng)域，包括核化學(xué)、光學(xué)化學(xué)和物理。
博科園｜研究/來自:密歇根州立學(xué)院
參考刊物《自然》
DOI:10.1038/-019-1169-4
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