Прямое обнаружение изотопа аргона-42 открывает новую эру в анализе сверхредких атомов
В мире, наполненном невообразимым количеством атомов, заметить горстку тех, которые едва существуют, кажется почти невозможным. Атомы аргона-42 (⁴²Ar), одного из редчайших изотопов в земной атмосфере, представленного в пропорции одна часть на 10²¹, попадают в ту же категорию. Долгие годы этот изотоп проявлял себя только косвенно, как досадный фоновый сигнал в экспериментах по поиску темной материи. Теперь, вероятно, впервые исследователи из Китайского университета науки и технологий и Китайской академии наук (CAS) зарегистрировали его напрямую, атом за атомом.
До сих пор основным методом изучения редких изотопов была ускорительная масс-спектрометрия (AMS), но даже эта методика дает сбой, когда речь заходит об обнаружении чего-то столь редкого, как аргон-42. Проблема заключается не только в чувствительности, но и в путанице: сигналы от схожих атомов размывают результаты, создавая фоновые помехи, которые делают точное детектирование ненадежным. В случае с ⁴²Ar эти помехи полностью заглушают сигнал, оставляя изотоп вне зоны досягаемости. Однако новый подход обещает преодолеть эту проблему. Авторы исследования отмечают, что их работа «демонстрирует мощный инструмент для обнаружения изотопов на ранее недоступных уровнях распространенности, что имеет значение для датирования окружающей среды и характеристики фона в детекторах жидкого аргона следующего поколения».
Чтобы приблизиться к обнаружению ⁴²Ar, исследователям сначала пришлось решить фундаментальную проблему: изотоп погребен под массивным избытком обычного аргона. Поэтому они начали с переформирования образца. Используя высокопоточный масс-спектрометр, они провели стадию предварительного обогащения. Этот процесс избирательно удалил большие количества самого распространенного изотопа, ⁴⁰Ar, из газа. Уменьшив подавляющее большинство, они эффективно сделали редкий ⁴²Ar более заметным, увеличив его относительное присутствие примерно в 450 раз. При этом они намеренно сохранили в образце ³⁸Ar. Этот изотоп действовал как встроенный контрольный пункт, помогая подтвердить, что то, что они увидят позже, является реальным сигналом, а не артефактом.
После подготовки образца исследователи обратились к атомно-ловушечному трассерному анализу (ATTA). Вместо измерения суммарного сигнала, ATTA работает путем целевого захвата атомов по отдельности. Команда использовала лазеры, настроенные с такой точностью, что реагируют на них только атомы ⁴²Ar. Когда эти атомы взаимодействуют с лазерным светом, они достаточно замедляются, чтобы быть захваченными в небольшую ловушку, где каждый из них может быть обнаружен отдельно. Именно это отличает ATTA от других методов. Он не просто снижает фоновый шум — он полностью его устраняет. Поскольку никакой другой атом не соответствует точной лазерной частоте, ложные сигналы просто не попадают в измерение. Однако даже с такой точностью прогресс был медленным. За 43 дня система зарегистрировала всего 204 атома, но этого небольшого количества оказалось достаточно. По нему исследователи рассчитали распространенность изотопа в атмосфере как (6,1 ± 0,5) × 10⁻²¹, что расширило возможности методов атомного подсчета на четыре-пять порядков по сравнению с предыдущими пределами. «Мы продемонстрировали, что изотопы с распространенностью до 10⁻²¹ теперь могут анализироваться с помощью атомного подсчета, что расширяет предел обнаружения на четыре-пять порядков по сравнению с тем, что было возможно ранее», — заявил Чжэн-Тянь Лу, один из авторов исследования и профессор Китайского университета науки и технологий (USTC).
Что делает исследование еще более интересным, так это то, что авторы изначально не ставили целью охоту за ⁴²Ar. Они совершенствовали ATTA для изучения ³⁹Ar, который гораздо более распространен и используется для датирования льда и океанской воды. Однако по мере того, как их система становилась более эффективной, они поняли, что незаметно пересекли порог, который позволил взяться за гораздо более редкий изотоп. Точное определение распространенности ⁴²Ar может немедленно повысить надежность экспериментов с темной материей. В детекторах, заполненных жидким аргоном, распад этого изотопа создает сигналы, которые могут обманчиво напоминать те, что ученые ищут. Имея более четкую меру того, сколько ⁴²Ar присутствует, исследователи смогут лучше отделять реальные события от вводящих в заблуждение.
Тем не менее, текущий подход пока недостаточно быстр для рутинных экспериментов. Обнаружение столь малого количества атомов занимает время, а установка требует тщательной калибровки и сложного оборудования. Чтобы сделать метод более практичным, необходимо увеличить скорость захвата и подсчета атомов. Поэтому исследователи планируют повысить эффективность детектирования и еще больше расширить чувствительность в надежде идентифицировать другие сверхредкие изотопы, которые до сих пор оставались невидимыми. «Эти достижения пойдут на пользу не только будущим применениям ⁴²Ar, но и улучшат анализ уже используемых изотопных трассеров, включая ³⁹Ar и ⁸¹Kr», — сказал Лу. Кроме того, «нам было бы интересно узнать, существуют ли другие сверхредкие изотопы, которые ученые в разных дисциплинах хотели бы обнаружить», — заключил он.
Исследование в журнале Nature Physics.