科羅拉多州立大學(xué)物理學(xué)教授研究的是被稱為中微子的基本物質(zhì)粒子，以及一種極其罕見(jiàn)的放射性衰變，在這種衰變中，中微子（就存在于這種衰變中）是無(wú)處可尋的。這一理論化但從未被觀測(cè)到的過(guò)程，被稱為“無(wú)中子雙β衰變”，將撼動(dòng)粒子物理學(xué)的世界。

如果被發(fā)現(xiàn)，它將解開(kāi)關(guān)于中微子基本性質(zhì)的長(zhǎng)期謎團(tuán)，中微子是宇宙中數(shù)量最多但卻最不為人所知的粒子之一。自2005年以來(lái)，費(fèi)爾班克實(shí)驗(yàn)室一直是國(guó)際EXO-200(富集氙天文臺(tái))科學(xué)合作的一部分，利用一個(gè)充滿超冷液態(tài)氙的粒子探測(cè)器尋找無(wú)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)，他們的成就是已知第一個(gè)固態(tài)惰性氣體中單個(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(lái)看到無(wú)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)家們能夠通過(guò)將真實(shí)事件與背景冒名者信號(hào)分離開(kāi)來(lái)，清楚地確定雙β衰變的單原子副產(chǎn)品。EXO-200粒子探測(cè)器位于新墨西哥州卡爾斯巴德地下半英里處，里面裝滿了370磅(約170公斤)重的液態(tài)同位素富集氙原子。有時(shí)，不穩(wěn)定的氙同位素會(huì)發(fā)生放射性衰變，釋放兩個(gè)電子和兩個(gè)中微子，把氙原子變成鋇原子。

如果衰變只產(chǎn)生兩個(gè)電子和一個(gè)鋇原子，則表明可能發(fā)生了無(wú)中子雙β衰變。只有當(dāng)中微子本身是相等的反粒子時(shí)，這才可能發(fā)生——科學(xué)家想通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)來(lái)回答這個(gè)突出的問(wèn)題。證實(shí)這種無(wú)中子衰變將是歷史性的，需要更新粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。此外，測(cè)量到的衰變半衰期將有助于科學(xué)家間接測(cè)量中微子絕對(duì)質(zhì)量——這是一項(xiàng)史無(wú)前例的壯舉。最后，如果沒(méi)有中微子的雙β衰變確實(shí)存在，科學(xué)家可以利用這些信息來(lái)了解為什么宇宙中有這么多物質(zhì)，而反物質(zhì)卻那么少。到目前為止，EXO-200探測(cè)器已經(jīng)產(chǎn)生了正確能量的衰變事件，但并沒(méi)有超過(guò)從測(cè)量探測(cè)器背景中預(yù)期的確切過(guò)剩。在EXO-200中兩年內(nèi)經(jīng)歷了大約40次衰變事件，但我們無(wú)法確切說(shuō)出其中有多少。

就像在一堆看起來(lái)一樣的大理石中進(jìn)行篩選一樣，區(qū)分真實(shí)衰變和相似背景事件一直是研究人員的中心問(wèn)題。這就是費(fèi)爾班克鋇標(biāo)簽的作用。如果鋇標(biāo)記在目前正在設(shè)計(jì)nEXO探測(cè)器的后續(xù)升級(jí)中成功實(shí)施，該探測(cè)器對(duì)無(wú)中子雙β衰變的靈敏度可提高至多4倍。這將是對(duì)價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的nEXO實(shí)驗(yàn)的重大升級(jí)。如果觀察到一個(gè)積極信號(hào)，科學(xué)家可以使用鋇標(biāo)記來(lái)確定已經(jīng)看到了他們正在尋找的衰變。鋇標(biāo)記工作是由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)激勵(lì)計(jì)劃資助，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的物理學(xué)家John Gillaspy說(shuō)：想到這些實(shí)驗(yàn)是如此的敏感，真是令人驚訝。在30年前的實(shí)驗(yàn)中，我發(fā)現(xiàn)尋找‘百萬(wàn)分之一’的外來(lái)原子很有挑戰(zhàn)性。

這項(xiàng)新研究尋找的是比這更稀有1000萬(wàn)倍的原子，物理和化學(xué)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。我很興奮地想到費(fèi)爾班克和同事們最終可能會(huì)發(fā)現(xiàn)使用這種新技術(shù)，因?yàn)樗袧摿φ嬲淖兾覀儗?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上描述了如何使用低溫探針來(lái)冷凍鋇原子的“子體”。鋇原子是由探針末端的同位素氙-136 - In固體氙的放射性衰變產(chǎn)生。然后用激光熒光照亮現(xiàn)在固態(tài)氙中的單個(gè)鋇原子。費(fèi)爾班克說(shuō)：當(dāng)我們得到單個(gè)鋇原子的圖像時(shí)，團(tuán)隊(duì)非常興奮，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，包括核物理、光學(xué)物理和化學(xué)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自:?科羅拉多州立大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1169-4

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