Bill Fairbank está buscando ... nada.
El profesor de física de la Universidad del Estado de Colorado estudia las partículas de materia fundamental conocidas como neutrinos, y un caso extremadamente raro de descomposición radiactiva en el que no se encuentran neutrinos, que de otra manera estarían presentes en tales desintegraciones.
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 antiguos sobre las propiedades básicas de los neutrinos, que se encuentran entre los más abundantespero partículas menos entendidas en el universo.
Desde 2005, el laboratorio de Fairbank ha sido parte de la colaboración científica internacional EXO-200 Observatorio de Xenón Enriquecido, buscando la descomposición 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 de bario. Su logro es la primera imagen conocida de átomos individuales en un gas noble sólido.
El etiquetado con bario podría ser una tecnología clave para ver la descomposición doble beta sin neutrinos en un futuro experimento mejorado llamado nEXO. Fundamentalmente, el etiquetado con bario permitiría a los científicos identificar claramente los subproductos de un solo átomo de la descomposición beta doble al separar los eventos reales deseñales impostoras de fondo
El detector de partículas EXO-200 está a media milla bajo tierra en Carlsbad, Nuevo México, y está lleno de 370 libras aproximadamente 170 kilogramos de átomos de xenón enriquecidos isotópicamente en forma líquida. A veces, los isótopos de xenón inestables experimentan descomposición radiactiva, liberandodos electrones y dos neutrinos, transformando los átomos de xenón en átomos de bario.
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 su propia antipartícula igual, opuesta, una pregunta pendiente que los científicos haríanMe gustaría responder a través de estos experimentos.
La confirmación de tal descomposición sin neutrinos sería histórica y requeriría actualizaciones del Modelo estándar de física de partículas. Además, la vida media medida de la descomposición ayudaría a los científicos a medir indirectamente las masas absolutas de neutrinos, una hazaña nunca antesfinalmente, si existe la 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 ahora, el detector EXO-200 ha producido eventos de desintegración de la energía correcta,pero no hay un exceso definitivo sobre lo que se espera del fondo medido del detector.
"En EXO-200, tuvimos algo así como 40 eventos de descomposición en dos años", dijo Fairbank. "Pero no podíamos decir exactamente cuántos de esos, si alguno, fueron reales".
Al igual que tamizar a través de montones de canicas de aspecto idéntico, 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 el marcado de bario de Fairbank. Si el marcado de bario se implementa con éxito en una actualización posteriordel detector nEXO que se está diseñando actualmente, la sensibilidad del detector a la desintegración doble beta sin neutrinos podría aumentar hasta un factor de 4. Esto sería una mejora significativa para el experimento nEXO multimillonario. Si se observa una señal positiva, los científicospuede usar el etiquetado de bario para saber con certeza que han visto la descomposición que están buscando.
El trabajo de marcado de bario fue apoyado por el programa INSPIRE de la National Science Foundation.
"Es sorprendente pensar cuán sensibles son estos experimentos", dijo John Gillaspy, físico de la National Science Foundation. "En los experimentos de hace 30 años, me resultó difícil buscar átomos exóticos 'uno en un millón'.Este nuevo estudio buscó átomos que eran 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 podrían encontrar usando esta nueva técnica, ya que tiene el potencial de realmentesacudir 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 "hija" de bario, producido por la desintegración radiactiva del isótopo xenón-136, en xenón sólido en el extremo de la sonda. Luego, utilizan fluorescencia láser parailuminar átomos de bario individuales dentro del xenón ahora sólido.
"Nuestro grupo estaba bastante emocionado cuando obtuvimos imágenes de átomos de bario individuales", dijo Fairbank, quien ha estado liderando el experimento durante varios años. La técnica de marcado de un solo átomo de Fairbank también podría generalizarse para otras aplicaciones, con implicaciones para campos que incluyenfísica nuclear, física óptica y química.
El programa EXO es una colaboración internacional de científicos de instituciones en los EE. UU., Canadá, China, Alemania, Rusia, Corea del Sur y Suiza.
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Materiales proporcionados por Universidad Estatal de Colorado . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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