Bill Fairbank está procurando ... nada.

O professor de física da Colorado State University estuda as partículas fundamentais de matéria conhecidas como neutrinos, e um caso extremamente raro de decaimento radioativo no qual neutrinos - de outra forma presentes em tais decaimentos - não podem ser encontrados em lugar nenhum.

Este processo teorizado, mas nunca antes observado, chamado de "decaimento beta duplo sem neutrinos, "abalaria o mundo da física de partículas. Se descoberto, resolveria mistérios de longa data sobre as propriedades básicas dos neutrinos, que estão entre as partículas mais abundantes, mas menos compreendidas no universo.

Desde 2005, O laboratório de Fairbank fez parte da colaboração científica internacional EXO-200 (Enriched Xenon Observatory), caça para decaimento beta duplo sem neutrinos usando um detector de partículas preenchido com xenônio líquido superfrio.

Em um novo avanço publicado em 29 de abril na revista Natureza , A equipe de Fairbank lançou as bases para uma estratégia de iluminação de átomo único chamada marcação de bário. Sua conquista é a primeira imagem conhecida de átomos individuais em um gás nobre sólido.

A marcação de bário pode ser uma tecnologia capacitadora chave para ver o decaimento beta duplo sem neutrinos no futuro, experimento atualizado chamado nEXO. Crucialmente, A marcação de bário capacitaria os cientistas a identificar com clareza os subprodutos de um único átomo do decaimento do beta duplo, separando eventos reais de sinais de impostor de fundo.

O detector de partículas EXO-200 fica a meia milha subterrânea em Carlsbad, Novo México, e é preenchido com 370 libras (cerca de 170 quilogramas) de átomos de xenônio isotopicamente enriquecidos na forma líquida. As vezes, os isótopos de xenônio instáveis ​​sofrem decaimento radioativo, liberando dois elétrons e dois neutrinos, transformando os átomos de xenônio em átomos de bário.

Se o decaimento produzir apenas dois elétrons e um átomo de bário, ele sinaliza que pode ter ocorrido um decaimento beta duplo sem neutrinos. E isso só pode ocorrer se o neutrino for igual, antipartícula oposta - uma questão notável que os cientistas gostariam de responder por meio desses experimentos.

A confirmação de tal decadência sem neutrinos seria histórica, requerendo atualizações para o Modelo Padrão de Física de Partículas. Além disso, a meia-vida medida da decadência ajudaria os cientistas a medir indiretamente as massas absolutas dos neutrinos - uma façanha nunca antes realizada. Finalmente, se houver decaimento beta duplo sem neutrinos, os cientistas poderiam usar essa informação para aprender por que o universo tem tanta matéria, mas tão pouca antimatéria. Até aqui, o detector EXO-200 produziu eventos de decaimento da energia correta, mas nenhum excesso definitivo sobre o que é esperado do fundo do detector medido.

"No EXO-200, tivemos algo como 40 eventos de decadência em dois anos, "Fairbank disse." Mas não poderíamos dizer exatamente quantos desses, caso existam, eram reais. "

Como vasculhar pilhas de bolas de gude de aparência idêntica, distinguir entre a decadência real e eventos de fundo de aparência semelhante tem sido um problema central para os pesquisadores. É aí que entra a marcação de bário da Fairbank. Se a marcação de bário for implementada com sucesso em uma atualização posterior do detector nEXO que está sendo projetado, a sensibilidade do detector ao decaimento beta duplo sem neutrinos pode aumentar em até um fator de 4. Isso seria uma atualização significativa para o experimento nEXO multimilionário. Se um sinal positivo for observado, os cientistas podem usar a marcação com bário para ter certeza de que viram a decomposição que procuram.

O trabalho de marcação com bário foi apoiado pelo programa INSPIRE da National Science Foundation.

"É incrível pensar em como esses experimentos são sensíveis, "disse John Gillaspy, um físico da National Science Foundation. "Em experimentos de 30 anos atrás, Achei um desafio procurar "um em um milhão" de átomos exóticos. Este novo estudo procurou átomos que eram 10 milhões de vezes mais raros. A física e a química já percorreram um longo caminho. Estou animado para pensar sobre o que Fairbank e seus colegas podem eventualmente encontrar usando esta nova técnica, pois tem o potencial de realmente sacudir o que sabemos sobre a natureza fundamental da realidade. "

Em seus Natureza publicação, A equipe de Fairbank descreve o uso de uma sonda criogênica para congelar o átomo "filho" de bário - produzido pelo decaimento radioativo do isótopo xenônio-136 - em xenônio sólido na extremidade da sonda. Então, eles usam fluorescência a laser para iluminar átomos de bário individuais dentro do xenônio agora sólido.

"Nosso grupo ficou muito animado quando obtivemos imagens de átomos de bário individuais, "disse Fairbank, que lidera o experimento há vários anos. A técnica de marcação de átomo único de Fairbank também pode ser generalizada para outras aplicações, com implicações para campos, incluindo física nuclear, física óptica e química.