Gasen som får ballonger att flyta är också avgörande för vetenskapliga experiment. I dessa experiment, naturligt helium (He) renas, men den innehåller en liten bit av en lite annan form av helium, känd som isotopen ³ Han. Ett prov kan innehålla bara ett ³ Han i varje miljon heliumatomer. Det är för mycket för många experiment. Många experiment kräver ultrarent helium, med en ³ Han komponent minst en miljon gånger mindre, eller en i en biljon av He -atomerna. Även om tekniker tros producera ultrarent helium, tills nyligen inga experimentella metoder har bekräftat att mängden ³ Han som är närvarande i ett prov är verkligen så liten. Nu, forskare vid ATLAS -anläggningen vid Argonne National Laboratory har använt accelerator -masspektrometri (AMS) för att exakt mäta de mycket små koncentrationerna av ³ Han presenterar.

Forskare behöver ultrarent helium för ett brett utbud av experiment. Till exempel, de använder ultrarent helium för att studera livslängden och andra egenskaper hos en fri neutron. Fria neutroner kan ge insikter i universums bildande och fysik bortom standardmodellen, om den mäts exakt. För att bestämma heliumets renhet för denna studie, teamet visade ett tillvägagångssätt som når en precisionsnivå som är flera storleksordningar utöver den för någon annan teknik. Teamet fann också att mäta mängden problem ³ Han i renade heliumprover avsedda för neutronstudier tyder på behovet av betydande experimentella korrigeringar, på grund av neutronabsorption av resten ³ Han presenterar.

Att besvara svåra vetenskapliga frågor om universums natur kräver isotopiskt renat helium ( ⁴ Han). Isotopen ³ Han kan förorena helium. Mät noggrant mängden ³ Han kräver att bestämma ³ Han/ ⁴ Han förhåller sig till värden långt under de som kan uppnås med vanliga masspektroskopitekniker. Acceleratorns masspektrometri ger det enda sättet att direkt mäta ³ Han nöjer sig i renade heliumprover på den känslighetsnivå som krävs för neutronlivstidsexperimentet, som försöker avgöra hur länge en fri neutron överlever. Forskare använde ATLAS -anläggningen för att demonstrera mätningar av ³ Han/ ⁴ Han är så liten som 10 ⁻¹⁴ , eller 1 av 100, 000, 000, 000, 000. I detta arbete, forskare ställde in ATLAS -acceleratorn, som fungerar som ett extremt exakt massfilter, med specialiserade koljoner. De skalade acceleratorkomponenterna till ³ Han+. För att minska atmosfär ³ Han smittade, laget producerade ³ Han+ joner i en ny radiofrekvens heliumurladdningskälla som reducerar naturligt förekommande bakgrundskällor till ³ Han. De övervakade den slutliga acceleratorn genom att regelbundet byta till H ³⁺ joner från väte med hög renhet. De eliminerade H3+ joner och joner bestående av parade deuterium och väteatomer genom dissociation i en guldfolie, efter acceleration till 8 MeV. Efter strippning av den andra elektronen från ³ Han+ jon, de sprider jonerna i en magnetisk spektrograf och räknar ³ han ²⁺ joner. Teamet räknar med att dessa observationer också kommer att styra utformningen av framtida neutronexperiment. Baserat på kända förbättringar, en ultimat känslighet för ³ Han/ ⁴ Han är så liten som 10 ⁻¹⁵ verkar vara genomförbart.