Le professeur de physique de la Colorado State University, Bill Fairbank, avec l'appareil d'imagerie à atome unique de son laboratoire. Crédit :John Eisele/Université d'État du Colorado
Bill Fairbank ne cherche... rien.
Le professeur de physique de la Colorado State University étudie les particules fondamentales de la matière appelées neutrinos, et un cas extrêmement rare de désintégration radioactive dans lequel les neutrinos, autrement présents dans de telles désintégrations, sont introuvables.
Ce processus théorisé mais jamais observé auparavant, appelé « désintégration double bêta sans neutrino, " bouleverserait le monde de la physique des particules. S'il est découvert, cela résoudrait des mystères de longue date sur les propriétés de base des neutrinos, qui sont parmi les particules les plus abondantes mais les moins comprises de l'univers.
Depuis 2005, Le laboratoire de Fairbank a fait partie de la collaboration scientifique internationale EXO-200 (Enriched Xenon Observatory), à la recherche de la double désintégration bêta sans neutrinos à l'aide d'un détecteur de particules rempli de xénon liquide super froid.
Dans une nouvelle percée publiée le 29 avril dans la revue La nature , L'équipe de Fairbank a jeté les bases d'une stratégie d'éclairage à un seul atome appelée marquage au baryum. Leur réalisation est la première imagerie connue d'atomes isolés dans un gaz noble solide.
Le marquage au baryum pourrait s'avérer une technologie habilitante clé pour voir la désintégration double bêta sans neutrinos à l'avenir, expérience améliorée appelée nEXO. Surtout, le marquage au baryum permettrait aux scientifiques d'identifier clairement les sous-produits à un seul atome de la désintégration double bêta en séparant les événements réels des signaux d'imposteur de fond.
Le détecteur de particules EXO-200 est à 800 mètres sous terre à Carlsbad, Nouveau Mexique, et est rempli de 370 livres (environ 170 kilogrammes) d'atomes de xénon enrichis en isotopes sous forme liquide. Parfois, les isotopes instables du xénon subissent une désintégration radioactive, libérant deux électrons et deux neutrinos, changer les atomes de xénon en atomes de baryum.
Dans le laboratoire de la Colorado State University :Alec Iverson, James Todd, David Fairbank, Chris Chambers et Bill Fairbank Crédit :John Eisele/Université d'État du Colorado
Si la désintégration ne produit que deux électrons et un atome de baryum, il signale qu'une double désintégration bêta sans neutrinos s'est peut-être produite. Et cela ne peut se produire que si le neutrino est son propre égal, antiparticule opposée - une question en suspens à laquelle les scientifiques aimeraient répondre à travers ces expériences.
La confirmation d'une telle désintégration sans neutrinos serait historique, nécessitant des mises à jour du modèle standard de physique des particules. En outre, la demi-vie mesurée de la désintégration aiderait les scientifiques à mesurer indirectement les masses absolues des neutrinos, un exploit jamais accompli auparavant. Finalement, si la désintégration double bêta sans neutrino existe, les scientifiques pourraient utiliser cette information pour savoir pourquoi l'univers a tant de matière, mais si peu d'antimatière. Jusque là, le détecteur EXO-200 a produit des événements de désintégration de l'énergie correcte, mais pas d'excès définitif par rapport à ce qui est attendu du bruit de fond du détecteur mesuré.
"Dans EXO-200, nous avons eu quelque chose comme 40 événements de désintégration en deux ans, " Fairbank a déclaré. "Mais nous ne pouvons pas dire exactement combien d'entre eux, si seulement, étaient réels."
Comme passer au crible des tas de billes d'apparence identique, faire la distinction entre la décroissance réelle et les événements de fond d'apparence similaire a été un problème central pour les chercheurs. C'est là qu'intervient le marquage au baryum de Fairbank. Si le marquage au baryum est mis en œuvre avec succès dans une mise à niveau ultérieure du détecteur nEXO en cours de conception, la sensibilité du détecteur à la désintégration double bêta sans neutrinos pourrait augmenter jusqu'à un facteur 4. Il s'agirait d'une amélioration significative pour l'expérience nEXO de plusieurs millions de dollars. Si un signal positif est observé, les scientifiques peuvent utiliser le marquage au baryum pour savoir avec certitude qu'ils ont vu la désintégration qu'ils recherchent.
Le travail de marquage au baryum a été soutenu par le programme INSPIRE de la National Science Foundation.
"C'est incroyable de penser à la sensibilité de ces expériences, " dit John Gilaspy, un physicien à la National Science Foundation. "Dans des expériences il y a 30 ans, J'ai trouvé difficile de rechercher « un sur un million » d'atomes exotiques. Cette nouvelle étude a recherché des atomes 10 millions de fois plus rares. La physique et la chimie ont parcouru un long chemin. Je suis ravi de penser à ce que Fairbank et ses collègues pourraient éventuellement trouver en utilisant cette nouvelle technique, car il a le potentiel de vraiment bouleverser ce que nous savons de la nature fondamentale de la réalité. »
Dans leurs La nature publication, L'équipe de Fairbank décrit l'utilisation d'une sonde cryogénique pour congeler l'atome "fille" de baryum - produit par la désintégration radioactive de l'isotope xénon-136 - dans du xénon solide à l'extrémité de la sonde. Puis, ils utilisent la fluorescence laser pour illuminer des atomes de baryum individuels dans le xénon désormais solide.
"Notre groupe était assez excité quand nous avons eu des images d'atomes de baryum uniques, " dit Fairbank, qui mène l'expérience depuis plusieurs années. La technique de marquage à un seul atome de Fairbank pourrait également être généralisée à d'autres applications, avec des implications pour des domaines tels que la physique nucléaire, physique optique et chimie.
