從未見過的放射性衰變，能揭示中微子的存在？

科羅拉多州立大學物理學教授研究的是被稱為中微子的基本物質粒子，以及一種極其罕見的放射性衰變，在這種衰變中，中微子（就存在於這種衰變中）是無處可尋的。這一理論化但從未被觀測到的過程，被稱為「無中子雙β衰變」，將撼動粒子物理學的世界。如果被發現，它將解開關於中微子基本性質的長期謎團，中微子是宇宙中數量最多但卻最不為人所知的粒子之一。自2005年以來，費爾班克實驗室一直是國際EXO-200(富集氙天文台)科學合作的一部分，利用一個充滿超冷液態氙的粒子探測器尋找無中子雙β衰變。

在2019年4月29日發表在《自然》上的一項新突破中費爾班克團隊為一種名為鋇標記的單原子照明策略奠定了基礎，他們的成就是已知第一個固態惰性氣體中單個原子的成像。鋇標記可能被證明是一項關鍵技術，可以在未來看到無中子雙β衰變，升級的實驗稱為nEXO。至關重要的是，鋇標記將使科學家們能夠通過將真實事件與背景冒名者信號分離開來，清楚地確定雙β衰變的單原子副產品。EXO-200粒子探測器位於新墨西哥州卡爾斯巴德地下半英里處，裡面裝滿了370磅(約170公斤)重的液態同位素富集氙原子。有時，不穩定的氙同位素會發生放射性衰變，釋放兩個電子和兩個中微子，把氙原子變成鋇原子。

科羅拉多州立大學物理學教授比爾·費爾班克和實驗室的單原子成像設備。圖片：John Eisele/Colorado State University

如果衰變只產生兩個電子和一個鋇原子，則表明可能發生了無中子雙β衰變。只有當中微子本身是相等的反粒子時，這才可能發生——科學家想通過這些實驗來回答這個突出的問題。證實這種無中子衰變將是歷史性的，需要更新粒子物理學的標準模型。此外，測量到的衰變半衰期將有助於科學家間接測量中微子絕對質量——這是一項史無前例的壯舉。最後，如果沒有中微子的雙β衰變確實存在，科學家可以利用這些信息來了解為什麼宇宙中有這麼多物質，而反物質卻那麼少。到目前為止，EXO-200探測器已經產生了正確能量的衰變事件，但並沒有超過從測量探測器背景中預期的確切過剩。在EXO-200中兩年內經歷了大約40次衰變事件，但我們無法確切說出其中有多少。

就像在一堆看起來一樣的大理石中進行篩選一樣，區分真實衰變和相似背景事件一直是研究人員的中心問題。這就是費爾班克鋇標籤的作用。如果鋇標記在目前正在設計nEXO探測器的後續升級中成功實施，該探測器對無中子雙β衰變的靈敏度可提高至多4倍。這將是對價值數百萬美元的nEXO實驗的重大升級。如果觀察到一個積極信號，科學家可以使用鋇標記來確定已經看到了他們正在尋找的衰變。鋇標記工作是由國家科學基金會激勵計劃資助，國家科學基金會的物理學家John Gillaspy說：想到這些實驗是如此的敏感，真是令人驚訝。在30年前的實驗中，我發現尋找『百萬分之一』的外來原子很有挑戰性。

這項新研究尋找的是比這更稀有1000萬倍的原子，物理和化學已經取得了很大的進步。我很興奮地想到費爾班克和同事們最終可能會發現使用這種新技術，因為它有潛力真正改變我們對現實本質的認識。費爾班克團隊在《自然》wiki上描述了如何使用低溫探針來冷凍鋇原子的「子體」。鋇原子是由探針末端的同位素氙-136 - In固體氙的放射性衰變產生。然後用激光熒光照亮現在固態氙中的單個鋇原子。費爾班克說：當我們得到單個鋇原子的圖像時，團隊非常興奮，費爾班克的單原子標記技術也可以推廣到其他應用領域，包括核物理、光學物理和化學。

博科園-科學科普｜研究/來自: 科羅拉多州立大學

參考期刊文獻:《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1169-4

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