亚利桑那州立学院化学学院士研究的是被称为中微子的基本物质粒子，以及一种非常罕见的放射性衰变，在这些衰变中，中微子（就存在于这些衰变中）是无处可寻的。这一理论化但未曾被观测到的过程，被称为“无中子双β衰变”，将撼动粒子化学学的世界。倘若被发觉，它将解开关于中微子基本性质的常年谜题，中微子是宇宙中数目最多但却最不为人所知的粒子之一。自2005年以来，费尔班克实验室仍然是国际EXO-200(富集氙天文台)科学合作的一部份，借助一个饱含超冷液态氙的粒子侦测器找寻无中子双β衰变。
在2019年4月29日发表在《自然》上的一项新突破中费尔班克团队为一种名为钡标记的单原子照明策略奠定了基础，她们的成就是已知第一个固态惰性二氧化碳中单个原子的成像。钡标记可能被证明是一项关键技术，可以在未来看到无中子双β衰变，升级的实验称为nEXO。
至关重要的是，钡标记将使科学家们就能通过将真实风波与背景冒名者讯号分离开来，清楚地确定双β衰变的单原子副产品。EXO-200粒子侦测器坐落新爱尔兰州卡尔斯巴德地下半英里处，上面装满了370磅(约170公斤)重的液态核素富集氙原子。有时，不稳定的氙核素会发生放射性衰变，释放两个电子和两个中微子，把氙原子弄成钡原子。
弗吉尼亚州立学院化学学院士比尔·费尔班克和实验室的单原子成像设备。图片：John/State
假如衰变只形成两个电子和一个钡原子放射性衰变，则表明可能发生了无中子双β衰变。只有当中微子本身是相等的反粒午时，这才可能发生——科学家想通过这种实验来回答这个突出的问题。否认这些无中子衰变将是历史性的，须要更新粒子化学学的标准模型。据悉，检测到的衰变半衰期将有助于科学家间接检测中微子绝对质量——这是一项史无前例的伟绩。
最后，假如没有中微子的双β衰变确实存在，科学家可以借助这种信息来了解为何宇宙中有如此多物质，而反物质却这么少。到目前为止放射性衰变，EXO-200侦测器早已形成了正确能量的衰变风波，但并没有超过从检测侦测器背景中预期的准确短缺。在EXO-200中三年内经历了大概40次衰变风波，但我们难以准确说出其中有多少。
如同在一堆看上去一样的花岗岩中进行筛选一样，分辨真实衰变和相像背景风波仍然是研究人员的中心问题。这就是费尔班克钡标签的作用。假如钡标记在目前正在设计nEXO侦测器的后续升级中成功施行，该侦测器对无中子双β衰变的灵敏度可提升至多4倍。这将是对价值数百万欧元的nEXO实验的重大升级。
假如观察到一个积极讯号，科学家可以使用钡标记来确定早已听到了她们正在寻觅的衰变。钡标记工作是由国家科学基金会激励计划捐助，国家科学基金会的化学学家John说：想到那些实验是这么的敏感，真是令人惊叹。在30年前的实验中，我发觉找寻‘百万分之一’的外来原子很有挑战性。
这项新研究找寻的是比这更稀有1000万倍的原子，化学和物理早已取得了很大的进步。我很激动地想到费尔班克和朋友们最终可能会发觉使用这些新技术，由于它有潜力真正改变我们对现实本质的认识。费尔班克团队在《自然》wiki上描述了怎样使用高温探针来冷藏钡原子的“子体”。
钡原子是由探针末端的核素氙-136-In固体氙的放射性衰变形成。之后用激光萤光点亮现今固态氙中的单个钡原子。费尔班克说：当我们得到单个钡原子的图象时，团队特别激动，费尔班克的单原子标记技术也可以推广到其他应用领域，包括核化学、光学化学和物理。
博科园｜研究/来自:密歇根州立学院
参考刊物《自然》
DOI:10.1038/-019-1169-4
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