El profesor de física de la Universidad Estatal de Colorado, Bill Fairbank, con el aparato de imágenes de un solo átomo de su laboratorio. Crédito:John Eisele / Universidad Estatal de Colorado
Bill Fairbank está buscando ... nada.
El profesor de física de la Universidad Estatal de Colorado estudia las partículas de materia fundamental conocidas como neutrinos, y un caso extremadamente raro de desintegración radiactiva en el que los neutrinos, que de otro modo están presentes en tales desintegraciones, no se encuentran por ninguna parte.
Este proceso teorizado pero nunca antes observado, llamado "desintegración doble beta sin neutrinos, "sacudiría el mundo de la física de partículas. Si se descubre, resolvería misterios de larga data sobre las propiedades básicas de los neutrinos, que se encuentran entre las partículas más abundantes pero menos comprendidas del universo.
Desde 2005, El laboratorio de Fairbank ha sido parte de la colaboración científica internacional EXO-200 (Enriched Xenon Observatory), buscando la desintegración doble beta sin neutrinos utilizando un detector de partículas lleno de xenón líquido súper frío.
En un nuevo avance publicado el 29 de abril en la revista Naturaleza , El equipo de Fairbank ha sentado las bases para una estrategia de iluminación de un solo átomo llamada etiquetado con bario. Su logro es la primera imagen conocida de átomos individuales en un gas noble sólido.
El etiquetado de bario podría resultar una tecnología habilitadora clave para ver la desintegración doble beta sin neutrinos en el futuro, experimento actualizado llamado nEXO. Crucialmente, El marcado con bario permitiría a los científicos identificar claramente los subproductos de un solo átomo de la desintegración doble beta al separar los eventos reales de las señales de impostores de fondo.
El detector de partículas EXO-200 está a 800 metros bajo tierra en Carlsbad, Nuevo Mexico, y está lleno de 370 libras (aproximadamente 170 kilogramos) de átomos de xenón enriquecidos isotópicamente en forma líquida. Algunas veces, los isótopos inestables de xenón sufren desintegración radiactiva, liberando dos electrones y dos neutrinos, cambiando los átomos de xenón en átomos de bario.
En el laboratorio de la Universidad Estatal de Colorado:Alec Iverson, James Todd, David Fairbank, Chris Chambers y Bill Fairbank Crédito:John Eisele / Universidad Estatal de Colorado
Si la desintegración produce solo dos electrones y un átomo de bario, indica que puede haber ocurrido una desintegración doble beta sin neutrinos. Y esto solo puede ocurrir si el neutrino es igual, antipartícula opuesta, una pregunta sobresaliente que a los científicos les gustaría responder a través de estos experimentos.
La confirmación de tal desintegración sin neutrinos sería histórica, requiriendo actualizaciones del Modelo Estándar de Física de Partículas. Además, la vida media medida de la desintegración ayudaría a los científicos a medir indirectamente las masas absolutas de neutrinos, una hazaña nunca antes lograda. Finalmente, si existe desintegración doble beta sin neutrinos, los científicos podrían usar esa información para saber por qué el universo tiene tanta materia, pero tan poca antimateria. Hasta aquí, el detector EXO-200 ha producido eventos de desintegración de la energía correcta, pero ningún exceso definitivo sobre lo que se espera del fondo del detector medido.
"En EXO-200, tuvimos algo así como 40 eventos de descomposición en dos años, ", Dijo Fairbank." Pero no pudimos decir exactamente cuántos de ellos, Si alguna, eran reales ".
Como tamizar a través de montones de canicas de idéntico aspecto, distinguir entre la descomposición real y los eventos de fondo de apariencia similar ha sido un problema central para los investigadores. Ahí es donde entra en juego el etiquetado de bario de Fairbank. Si el etiquetado de bario se implementa con éxito en una actualización posterior del detector nEXO que se está diseñando actualmente, La sensibilidad del detector a la desintegración doble beta sin neutrinos podría aumentar hasta en un factor de 4. Esto sería una mejora significativa para el experimento multimillonario nEXO. Si se observa una señal positiva, los científicos pueden usar el marcado con bario para saber con certeza que han visto la descomposición que están buscando.
El trabajo de marcado con bario fue apoyado por el programa INSPIRE de la National Science Foundation.
"Es asombroso pensar en lo sensibles que son estos experimentos, "dijo John Gillaspy, físico de la National Science Foundation. "En experimentos de hace 30 años, Me resultó difícil buscar 'uno en un millón' de átomos exóticos. Este nuevo estudio buscó átomos que fueran 10 millones de veces más raros. La física y la química han recorrido un largo camino. Estoy emocionado de pensar en lo que Fairbank y sus colegas eventualmente encontrarán usando esta nueva técnica, ya que tiene el potencial de cambiar realmente lo que sabemos sobre la naturaleza fundamental de la realidad ".
En su Naturaleza publicación, El equipo de Fairbank describe el uso de una sonda criogénica para congelar el átomo "hijo" de bario, producido por la desintegración radiactiva del isótopo xenón-136, en xenón sólido en el extremo de la sonda. Luego, utilizan fluorescencia láser para iluminar átomos de bario individuales dentro del xenón ahora sólido.
"Nuestro grupo estaba muy emocionado cuando obtuvimos imágenes de átomos de bario individuales, "dijo Fairbank, quien ha estado liderando el experimento durante varios años. La técnica de etiquetado de un solo átomo de Fairbank también podría generalizarse para otras aplicaciones, con implicaciones para campos que incluyen la física nuclear, física óptica y química.
