- 26,398
- 46
- 8 Ноя 2022
Встречается редко, но создаёт помехи в поиске тёмной материи…
В земной атмосфере нашли изотоп, который почти невозможно поймать обычными методами. Атомы аргона-42 встречаются примерно один раз на 10²¹ атомов, поэтому раньше учёные видели их только косвенно, как мешающий фон в экспериментах по поиску тёмной материи . Теперь исследователи из Университета науки и технологий Китая и Китайской академии наук, вероятно, впервые зарегистрировали аргон-42 напрямую, по отдельным атомам.
Аргон-42 относится к редчайшим изотопам атмосферы. Изотопы — это разновидности одного химического элемента с разным числом нейтронов в ядре. По химическим свойствам они похожи, но масса и радиоактивность могут отличаться. Для физиков аргон-42 важен не из-за распространённости, а из-за помех, которые создаёт его распад. В детекторах с жидким аргоном такие сигналы могут маскироваться под события, которые учёные ищут в экспериментах с тёмной материей.
Главная сложность долгое время заключалась не только в слабом сигнале. Аргон-42 прячется среди огромного количества обычного аргона, а похожие атомы дают фоновые сигналы и смазывают результат. Метод ускорительной масс-спектрометрии, который обычно применяют для поиска редких изотопов, на такой концентрации уже не справляется: помехи перекрывают искомый сигнал.
Команда начала с подготовки образца. Исследователи использовали высокопроточный масс-спектрометр и провели предварительное обогащение газа. По сути, из образца убрали значительную часть аргона-40, самого распространённого изотопа. После такой очистки доля аргона-42 в оставшейся смеси выросла примерно в 450 раз, и редкие атомы перестали полностью теряться на фоне обычного аргона.
При этом учёные специально оставили в газе аргон-38. Этот изотоп работал как внутренняя контрольная метка: по его поведению можно было проверить, что система действительно видит нужные частицы, а не ловит технический шум или случайный артефакт измерения.
Затем исследователи применили атомно-ловушечный следовый анализ, или ATTA. В отличие от методов, которые измеряют общий сигнал от вещества, ATTA работает с отдельными атомами. Лазеры настраивают на строго определённую частоту, при которой реагируют только атомы нужного изотопа. Когда аргон-42 взаимодействует с таким светом, атом замедляется и попадает в небольшую ловушку. После этого прибор регистрирует каждый пойманный атом отдельно.
В этом и состоит главное преимущество метода. ATTA не просто снижает фоновый шум, а практически убирает ложные срабатывания: другие атомы не совпадают с выбранной лазерной частотой и не попадают в измерение. Даже при такой точности работа шла медленно. За 43 дня установка зарегистрировала всего 204 атома аргона-42. Но этих 204 событий хватило, чтобы посчитать долю изотопа в атмосфере.
Полученное значение составило (6,1 ± 0,5) × 10⁻²¹. Иными словами, речь идёт о нескольких атомах на секстиллион. По словам одного из авторов исследования, профессора Университета науки и технологий Китая Чжэн-Тяня Лу, работа показала, что изотопы с концентрацией порядка 10⁻²¹ теперь можно анализировать прямым подсчётом атомов. Предел чувствительности метода сдвинулся на 4–5 порядков по сравнению с прежними возможностями.
Любопытно, что авторы не начинали проект как охоту именно за аргоном-42. Команда улучшала ATTA для изучения аргона-39. Этот изотоп встречается заметно чаще и уже используется для датировки льда и океанской воды. Когда установка стала эффективнее, исследователи поняли, что перешли важный порог чувствительности и могут попробовать поймать намного более редкий изотоп.
Для экспериментов с тёмной материей точное измерение аргона-42 имеет практический смысл. Жидкий аргон часто используют как рабочее вещество в детекторах: частицы, проходя через него, оставляют слабые сигналы. Но распад аргона-42 создаёт похожий фон. Если физики лучше знают, сколько этого изотопа находится в аргоне, они точнее отделяют потенциально важные события от помех.
Пока метод не подходит для быстрых рутинных измерений. Подсчёт настолько редких атомов требует недель работы, точной калибровки и сложного оборудования. Следующая задача команды — ускорить захват и регистрацию атомов, а также повысить чувствительность системы. Исследователи рассчитывают, что улучшенный подход поможет искать и другие сверхредкие изотопы, которые до сих пор оставались невидимыми.
У авторов есть и более широкий расчёт. Улучшение ATTA может пригодиться не только для аргона-42, но и для уже используемых изотопных индикаторов, включая аргон-39 и криптон-81. Такие изотопы помогают изучать возраст воды, льда и других природных объектов. Теперь тот же принцип может расширить список атомных меток, которые раньше считались слишком редкими для прямого подсчёта.
В земной атмосфере нашли изотоп, который почти невозможно поймать обычными методами. Атомы аргона-42 встречаются примерно один раз на 10²¹ атомов, поэтому раньше учёные видели их только косвенно, как мешающий фон в экспериментах по поиску тёмной материи . Теперь исследователи из Университета науки и технологий Китая и Китайской академии наук, вероятно, впервые зарегистрировали аргон-42 напрямую, по отдельным атомам.
Аргон-42 относится к редчайшим изотопам атмосферы. Изотопы — это разновидности одного химического элемента с разным числом нейтронов в ядре. По химическим свойствам они похожи, но масса и радиоактивность могут отличаться. Для физиков аргон-42 важен не из-за распространённости, а из-за помех, которые создаёт его распад. В детекторах с жидким аргоном такие сигналы могут маскироваться под события, которые учёные ищут в экспериментах с тёмной материей.
Главная сложность долгое время заключалась не только в слабом сигнале. Аргон-42 прячется среди огромного количества обычного аргона, а похожие атомы дают фоновые сигналы и смазывают результат. Метод ускорительной масс-спектрометрии, который обычно применяют для поиска редких изотопов, на такой концентрации уже не справляется: помехи перекрывают искомый сигнал.
Команда начала с подготовки образца. Исследователи использовали высокопроточный масс-спектрометр и провели предварительное обогащение газа. По сути, из образца убрали значительную часть аргона-40, самого распространённого изотопа. После такой очистки доля аргона-42 в оставшейся смеси выросла примерно в 450 раз, и редкие атомы перестали полностью теряться на фоне обычного аргона.
При этом учёные специально оставили в газе аргон-38. Этот изотоп работал как внутренняя контрольная метка: по его поведению можно было проверить, что система действительно видит нужные частицы, а не ловит технический шум или случайный артефакт измерения.
Затем исследователи применили атомно-ловушечный следовый анализ, или ATTA. В отличие от методов, которые измеряют общий сигнал от вещества, ATTA работает с отдельными атомами. Лазеры настраивают на строго определённую частоту, при которой реагируют только атомы нужного изотопа. Когда аргон-42 взаимодействует с таким светом, атом замедляется и попадает в небольшую ловушку. После этого прибор регистрирует каждый пойманный атом отдельно.
В этом и состоит главное преимущество метода. ATTA не просто снижает фоновый шум, а практически убирает ложные срабатывания: другие атомы не совпадают с выбранной лазерной частотой и не попадают в измерение. Даже при такой точности работа шла медленно. За 43 дня установка зарегистрировала всего 204 атома аргона-42. Но этих 204 событий хватило, чтобы посчитать долю изотопа в атмосфере.
Полученное значение составило (6,1 ± 0,5) × 10⁻²¹. Иными словами, речь идёт о нескольких атомах на секстиллион. По словам одного из авторов исследования, профессора Университета науки и технологий Китая Чжэн-Тяня Лу, работа показала, что изотопы с концентрацией порядка 10⁻²¹ теперь можно анализировать прямым подсчётом атомов. Предел чувствительности метода сдвинулся на 4–5 порядков по сравнению с прежними возможностями.
Любопытно, что авторы не начинали проект как охоту именно за аргоном-42. Команда улучшала ATTA для изучения аргона-39. Этот изотоп встречается заметно чаще и уже используется для датировки льда и океанской воды. Когда установка стала эффективнее, исследователи поняли, что перешли важный порог чувствительности и могут попробовать поймать намного более редкий изотоп.
Для экспериментов с тёмной материей точное измерение аргона-42 имеет практический смысл. Жидкий аргон часто используют как рабочее вещество в детекторах: частицы, проходя через него, оставляют слабые сигналы. Но распад аргона-42 создаёт похожий фон. Если физики лучше знают, сколько этого изотопа находится в аргоне, они точнее отделяют потенциально важные события от помех.
Пока метод не подходит для быстрых рутинных измерений. Подсчёт настолько редких атомов требует недель работы, точной калибровки и сложного оборудования. Следующая задача команды — ускорить захват и регистрацию атомов, а также повысить чувствительность системы. Исследователи рассчитывают, что улучшенный подход поможет искать и другие сверхредкие изотопы, которые до сих пор оставались невидимыми.
У авторов есть и более широкий расчёт. Улучшение ATTA может пригодиться не только для аргона-42, но и для уже используемых изотопных индикаторов, включая аргон-39 и криптон-81. Такие изотопы помогают изучать возраст воды, льда и других природных объектов. Теперь тот же принцип может расширить список атомных меток, которые раньше считались слишком редкими для прямого подсчёта.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
