Bill Fairbank letar efter ... ingenting.

Professor i fysik vid Colorado State University studerar de grundläggande ämnespartiklarna som kallas neutrinoer, och en ytterst sällsynt förekomst av radioaktivt sönderfall där neutrinoer - annars förekommer i sådana förfall - inte finns någonstans.

Denna teoretiserade men aldrig tidigare observerade process, kallas "neutrinolöst dubbel-beta-sönderfall, "skulle gunga partikelfysikens värld. Om den upptäcks, det skulle lösa långvariga mysterier om neutrinos grundläggande egenskaper, som är bland de mest förekommande men minst förstådda partiklarna i universum.

Sedan 2005 har Fairbanks lab har varit en del av det internationella EXO-200 (Enriched Xenon Observatory) vetenskapligt samarbete, jagar efter neutrinolöst dubbel-beta-sönderfall med hjälp av en partikeldetektor fylld med superkallt flytande xenon.

I ett nytt genombrott som publicerades 29 april i tidningen Natur , Fairbanks team har lagt grunden för en enkelatomstrategi som kallas bariummärkning. Deras prestation är den första kända avbildningen av enstaka atomer i en fast ädelgas.

Bariummärkning kan visa sig vara en nyckelaktiverande teknik för att se neutrinolöst dubbel-beta-förfall i framtiden, uppgraderat experiment som kallas nEXO. Avgörande, barium-märkning skulle ge forskare möjlighet att tydligt identifiera en-atomers biprodukter av dubbel-beta-förfall genom att skilja verkliga händelser från bakgrundshämmarsignaler.

EXO-200 partikeldetektorn ligger en halv mil under jorden i Carlsbad, New Mexico, och är fylld med 370 pund (cirka 170 kilo) isotopiskt anrikade xenonatomer i flytande form. Ibland, de instabila xenonisotoperna genomgår radioaktivt sönderfall, frigör två elektroner och två neutrinoer, ändra xenonatomer till bariumatomer.

Om förfallet producerar bara två elektroner och en bariumatom, det signalerar att ett neutrinolöst dubbelbetaförfall kan ha inträffat. Och detta kan bara inträffa om neutrino är sin egen jämlikhet, motsatt antipartikel - en enastående fråga som forskare skulle vilja svara på genom dessa experiment.

Bekräftelsen av ett sådant neutrinolöst förfall skulle vara historiskt, kräver uppdateringar av standardmodellen för partikelfysik. Dessutom, den uppmätta halveringstiden för förfallet skulle hjälpa forskare indirekt att mäta de absoluta massorna av neutrinoer-en prestation som aldrig tidigare uppnåtts. Till sist, om neutrinolöst dubbel-beta-förfall existerar, forskare kan använda den informationen för att lära sig varför universum har så mycket materia, men så lite antimateria. Än så länge, EXO-200-detektorn har producerat sönderfallshändelser med rätt energi, men inget definitivt överskott över vad som förväntas från den uppmätta detektorbakgrunden.

"I EXO-200, vi hade ungefär 40 förfallshändelser på två år, "Sa Fairbank." Men vi kunde inte säga exakt hur många av dem, om någon, var verkliga. "

Som att sålla genom högar med likadana kulor, att skilja mellan det verkliga förfallet och liknande förekommande bakgrundshändelser har varit ett centralt problem för forskarna. Det är där Fairbanks bariummärkning kommer in. Om bariummärkning lyckas implementeras i en senare uppgradering av nEXO -detektorn som för närvarande utformas, detektorns känslighet för neutrinolöst dubbelbetaförfall kan öka med upp till en faktor 4. Detta skulle vara en betydande uppgradering för flera miljoner dollar nEXO-experimentet. Om en positiv signal observeras, forskare kan använda bariummärkning för att säkert veta att de har sett förfallet de letar efter.

Barium -taggningsarbetet stöddes av National Science Foundation INSPIRE -programmet.

"Det är fantastiskt att tänka på hur känsliga dessa experiment är, "sa John Gillaspy, fysiker vid National Science Foundation. "I experiment för 30 år sedan, Jag tyckte det var utmanande att leta efter "en av en miljon" exotiska atomer. Denna nya studie sökte efter atomer som var 10 miljoner gånger mer sällsynta. Fysik och kemi har kommit långt. Jag är glada över att tänka på vad Fairbank och hans kollegor så småningom kan hitta med denna nya teknik, eftersom det har potential att verkligen skaka om det vi vet om verklighetens grundläggande natur. "

I deras Natur offentliggörande, Fairbanks team beskriver att man använder en kryogen sond för att frysa barium "dotter" -atomen-producerad av radioaktivt sönderfall av isotopen xenon-136-i fast xenon i slutet av sonden. Sedan, de använder laserfluorescens för att belysa enskilda bariumatomer i den nu fasta xenon.

"Vår grupp var ganska upphetsad när vi fick bilder på enstaka bariumatomer, "sa Fairbank, som har lett experimentet i flera år. Fairbanks enda atommärkningsteknik kan också generaliseras för andra applikationer, med konsekvenser för områden inklusive kärnfysik, optisk fysik och kemi.