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    Cosa potrebbe dirci sui neutrini un decadimento radioattivo mai visto prima?

    Il professore di fisica della Colorado State University Bill Fairbank con l'apparato di imaging a singolo atomo del suo laboratorio. Credito:John Eisele/Colorado State University

    Bill Fairbank sta cercando... niente.

    Il professore di fisica della Colorado State University studia le particelle fondamentali della materia note come neutrini, e un caso estremamente raro di decadimento radioattivo in cui i neutrini, altrimenti presenti in tali decadimenti, non si trovano da nessuna parte.

    Questo processo teorizzato ma mai osservato prima, chiamato "decadimento doppio beta senza neutrini, " scuoterebbe il mondo della fisica delle particelle. Se scoperto, risolverebbe antichi misteri sulle proprietà di base dei neutrini, che sono tra le particelle più abbondanti ma meno comprese nell'universo.

    Dal 2005, Il laboratorio di Fairbank ha fatto parte della collaborazione scientifica internazionale EXO-200 (Enriched Xenon Observatory), caccia al decadimento doppio beta senza neutrini utilizzando un rivelatore di particelle riempito con xeno liquido super freddo.

    In una nuova svolta pubblicata il 29 aprile sulla rivista Natura , Il team di Fairbank ha gettato le basi per una strategia di illuminazione a singolo atomo chiamata barium tagging. Il loro risultato è la prima rappresentazione nota di singoli atomi in un gas nobile solido.

    L'etichettatura del bario potrebbe rivelarsi una tecnologia chiave per vedere il decadimento del doppio beta senza neutrini in futuro, esperimento aggiornato chiamato nEXO. In modo cruciale, L'etichettatura del bario consentirebbe agli scienziati di individuare chiaramente i sottoprodotti di un singolo atomo del decadimento del doppio beta separando gli eventi reali dai segnali di impostori di fondo.

    Il rivelatore di particelle EXO-200 è a mezzo miglio sottoterra a Carlsbad, Nuovo Messico, ed è riempito con 370 libbre (circa 170 chilogrammi) di atomi di xeno arricchiti con isotopi in forma liquida. Qualche volta, gli isotopi instabili dello xeno subiscono un decadimento radioattivo, rilasciando due elettroni e due neutrini, trasformando gli atomi di xeno in atomi di bario.

    Nel laboratorio della Colorado State University:Alec Iverson, James Todd, David Fairbank, Chris Chambers e Bill Fairbank Crediti:John Eisele/Colorado State University

    Se il decadimento produce solo due elettroni e un atomo di bario, segnala che potrebbe essersi verificato un decadimento doppio beta senza neutrini. E questo può avvenire solo se il neutrino è uguale a se stesso, antiparticella opposta:una domanda eccezionale a cui gli scienziati vorrebbero rispondere attraverso questi esperimenti.

    La conferma di un tale decadimento senza neutrini sarebbe storica, che richiedono aggiornamenti al Modello Standard della Fisica delle Particelle. Inoltre, l'emivita misurata del decadimento aiuterebbe gli scienziati a misurare indirettamente le masse assolute dei neutrini, un'impresa mai compiuta prima. Finalmente, se esiste un decadimento doppio beta senza neutrini, gli scienziati potrebbero usare queste informazioni per scoprire perché l'universo ha così tanta materia, ma così poca antimateria. Finora, il rivelatore EXO-200 ha prodotto eventi di decadimento dell'energia corretta, ma nessun eccesso definitivo rispetto a ciò che ci si aspetta dallo sfondo del rilevatore misurato.

    "Nell'EXO-200, abbiamo avuto qualcosa come 40 eventi di decadimento in due anni, " ha detto Fairbank. "Ma non siamo riusciti a dire esattamente quanti di questi, se del caso, erano reali."

    Come setacciare pile di biglie dall'aspetto identico, distinguere tra il decadimento reale e gli eventi di fondo che appaiono simili è stato un problema centrale per i ricercatori. È qui che entra in gioco l'etichettatura del bario di Fairbank. Se l'etichettatura del bario viene implementata con successo in un aggiornamento successivo del rilevatore nEXO attualmente in fase di progettazione, la sensibilità del rivelatore al decadimento doppio beta senza neutrini potrebbe aumentare fino a un fattore 4. Questo sarebbe un aggiornamento significativo per l'esperimento multimilionario nEXO. Se si osserva un segnale positivo, gli scienziati possono utilizzare l'etichettatura del bario per sapere con certezza di aver visto il decadimento che stanno cercando.

    Il lavoro di etichettatura del bario è stato sostenuto dal programma INSPIRE della National Science Foundation.

    "È incredibile pensare a quanto siano sensibili questi esperimenti, "ha detto John Gillaspy, un fisico presso la National Science Foundation. "Negli esperimenti di 30 anni fa, Ho trovato difficile cercare "uno su un milione" di atomi esotici. Questo nuovo studio ha cercato atomi che erano 10 milioni di volte più rari. La fisica e la chimica hanno fatto molta strada. Sono entusiasta di pensare a cosa Fairbank e i suoi colleghi potrebbero eventualmente trovare usando questa nuova tecnica, in quanto contiene il potenziale per scuotere davvero ciò che sappiamo sulla natura fondamentale della realtà".

    nella loro Natura pubblicazione, Il team di Fairbank descrive l'utilizzo di una sonda criogenica per congelare l'atomo "figlio" di bario, prodotto dal decadimento radioattivo dell'isotopo xeno-136, nello xeno solido all'estremità della sonda. Quindi, usano la fluorescenza laser per illuminare i singoli atomi di bario all'interno dello xeno ormai solido.

    "Il nostro gruppo era piuttosto eccitato quando abbiamo ottenuto immagini di singoli atomi di bario, " ha detto Fairbank, che ha condotto l'esperimento per diversi anni. La tecnica di etichettatura del singolo atomo di Fairbank potrebbe essere generalizzata anche per altre applicazioni, con implicazioni per campi tra cui la fisica nucleare, fisica ottica e chimica.

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