Detekcja jedna na trylion trylionów
Argon-42 to radioaktywny izotop gazu szlachetnego, który występuje w atmosferze w ilościach wręcz śladowych. Jego koncentracja jest tak niewielka, że szacuje się ją na poziomie jednej cząstki na trylion trylionów, czyli około 1 na 10²¹ atomów. Tego typu skala sprawia, iż wykrycie nawet pojedynczych atomów tego izotopu stanowi ogromne wyzwanie technologiczne, wymagające niezwykle precyzyjnych metod pomiarowych.
Czytaj też: Chemicy zamknęli błyskawicę w reaktorze. Tak powstało paliwo z gazu ziemnego
Przez lata naukowcy polegali głównie na technice znanej jako spektrometria mas z akceleratorem, jednak metoda ta ma swoje ograniczenia. W szczególności jest podatna na zakłócenia tła, a więc obecność innych atomów o podobnych właściwościach, które mogą fałszować wyniki pomiarów. Właśnie dlatego badacze z Chin opracowali nową technikę, która pozwala ominąć te problemy i wejść na zupełnie nowy poziom dokładności.
Kluczowym narzędziem okazała się metoda określana jako ATTA (Atom Trap Trace Analysis). W przeciwieństwie do wcześniej stosowanych strategii, nie polega ona jedynie na analizie masy atomów, lecz umożliwia ich fizyczne łapanie i liczenie pojedynczo. Proces rozpoczyna się od wzbogacenia próbki, podczas którego usuwa się dominujący izotop argonu-40, zwiększając względną obecność rzadkiego argonu-42 nawet kilkaset razy. Następnie naukowcy wykorzystują precyzyjnie dostrojone lasery, które spowalniają i wychwytują wyłącznie atomy konkretnego izotopu.
204 atomy na przestrzeni 43-dniowych poszukiwań
Dzięki tej technologii uczeni byli w stanie przez 43 dni eksperymentu zarejestrować zaledwie 204 atomy argonu-42. Liczba ta doskonale oddaje skalę trudności całego przedsięwzięcia. Mimo to wystarczyło to, aby po raz pierwszy bezpośrednio potwierdzić obecność tego izotopu w atmosferze oraz dokładnie oszacować jego stężenie.
Ale detekcja rzadkiego pierwiastka to nie wszystko. Argon-42 odgrywa istotną rolę w eksperymentach fizycznych, zwłaszcza tych związanych z poszukiwaniem ciemnej materii. W ogromnych detektorach wykorzystujących ciekły argon, rozpad tego izotopu generuje sygnały, które mogą być mylone z potencjalnymi oznakami istnienia tej niewidzialnej formy materii.
Czytaj też: Grawitacyjna zagadka rozwiązana. Dlaczego na Oceanie Indyjskim Ziemia przyciąga słabiej?
Dzięki nowej metodzie naukowcy mogą teraz dokładniej określić, jakie sygnały pochodzą z naturalnego tła promieniotwórczego, a które mogą wskazywać na nowe zjawiska fizyczne. To z kolei pozwala zwiększyć czułość eksperymentów i zmniejszyć ryzyko fałszywych detekcji, co jest kluczowe w badaniach nad jedną z największych niewiadomych kosmologii.
Sami zainteresowani mówią o czymś jeszcze: zastosowania w badaniach środowiskowych i geologicznych. Izotopy argonu od dawna wykorzystywane są do datowania próbek, badania cyrkulacji oceanicznej czy analiz zmian klimatycznych. Możliwość wykrywania jeszcze rzadszych odmian tego pierwiastka toruje drogę do znacznie dokładniejszych analiz procesów zachodzących na Ziemi – zarówno w przeszłości, jak i obecnie.
Źródło: Nature Physics
