Naukowcy opracowali metodę wykrywania rozpadu jądrowego na podstawie subtelnego ruchu mikrocząstek, co pogłębia naszą wiedzę na temat nieuchwytnych cząstek, takich jak neutrina.
Ten przełom toruje drogę do ulepszonych narzędzi monitorowania obiektów jądrowych i może zostać udoskonalony dzięki przyszłym technologiom kwantowym.
Radioaktywność jest wszędzie wokół nas, nawet w przedmiotach codziennego użytku. Na przykład banany zawierają śladowe ilości radioaktywnego potasu, a w typowym bananie co sekundę rozpada się około 10 jąder. Chociaż te niewielkie ilości radioaktywności nie są niebezpieczne, rośnie zainteresowanie nauki zwiększeniem precyzji narzędzi do wykrywania takich rozpadów jądrowych.
W ramach nowych badań naukowcy po raz pierwszy mechanicznie wykryli indywidualne rozpady jądrowe zachodzące w mikrocząstce (wielkości pojedynczego ziarenka pyłu). W badaniu wykorzystano nową technikę. Zamiast wykrywać promieniowanie emitowane przez jądra, badacze zmierzyli maleńkie „kopnięcie” całej mikrocząstki zawierającej rozpadające się jądro w chwili ucieczki promieniowania.
Postępy w wykrywaniu rozpadu jądrowego
Techniki te mogą pomóc nam poznać cząstki emitowane w wyniku rozpadów jądrowych, które w innym przypadku byłyby trudne do wykrycia. Na przykład podczas rozpadu potasu w bananie emitowane są cząstki zwane neutrinami, które oddziałują z materią tak słabo, że uciekają niezauważone. Jednym ze sposobów poznania tych neutrin jest sprawdzenie, jak bardzo kopią one mikrocząstkę, gdy ją opuszczają.
Ponadto techniki te umożliwiają identyfikację materiału radioaktywnego w pojedynczej cząstce pyłu. Mogłoby to udostępnić nowe narzędzia monitorowania broni jądrowej i nieproliferacji. Wreszcie możliwość zobaczenia tych maleńkich kopnięć jest ostatecznie ograniczona przez mechanikę kwantową i zasadę nieoznaczoności Heisenberga. W przyszłości techniki wykrywania kwantowego mogą jeszcze bardziej ulepszyć tę metodę.
Wykorzystanie pęsety optycznej w wykrywaniu kwantowym
W ramach tej pracy naukowcy wszczepili radioaktywne jądra ołowiu-212 do mikrocząstek krzemionki o średnicy około 3 mikronów. Mikrocząstki te zostały uwięzione w wysokiej próżni pod ciśnieniem mniejszym niż 10-10 atmosfery, aby zminimalizować hałas wynikający z wahań termicznych położenia mikrocząstek. Naukowcy przeprowadzili pułapkowanie za pomocą lasera skupionego na środku komory próżniowej, który ogranicza mikrocząstkę w małym obszarze w pobliżu ogniska lasera (tworząc „pęsetę optyczną”). Naukowcy wykorzystali światło rozproszone przez mikrocząstkę do zobrazowania jej położenia i poszukiwania wszelkich małych skoków w ruchu mikrocząstki, które mogą wynikać z rozpadów jądrowych.
Rozpady ołowiu-212 spowodowały powstanie dalszych niestabilnych jąder potomnych, które ostatecznie uległy rozpadowi poprzez emisję cząstki alfa. Kiedy cząstki alfa uciekły z mikrocząstek, wykryto dwie sygnatury. Po pierwsze, zmienił się ładunek elektryczny mikrocząstki, co wykryto z precyzją lepszą niż pojedynczy ładunek elementarny. Po drugie, można było wykryć niewielki odrzut całej mikrocząstki (ponad bilion razy cięższy niż sama cząstka alfa).
Przyszły potencjał wykrywania nanocząstek
Skalując te same techniki do mniejszych nanocząstek, możliwe będzie również wykrycie kopnięcia pojedynczego beta, gamma lub neutrina opuszczającego kulę. Podstawowe ograniczenia tego pomiaru narzuca mechanika kwantowa. Pomiar położenia nanocząstki za pomocą światła wprowadza szum, wynikający z wahań liczby kwantów światła („fotonów”) oddziałujących z nanocząstką. Ostatecznie można zastosować techniki wykrywania kwantowego w celu przekroczenia odpowiedniej „standardowej granicy kwantowej”, która ma zastosowanie do jednoczesnych pomiarów położenia i pędu nanocząstek. Stosując ściśnięte światło lub podobne metody, skupiające się wyłącznie na pomiarze pędu cząstki – pomimo kompromisu w postaci zwiększonego szumu w mniej krytycznej pozycji – możliwe jest wykrycie jeszcze mniejszych odrzutów.
Referencje:
„Mechanical Detection of Nuclear Decay” autorstwa Jiaxianga Wanga, TW Penny, Juana Recoaro, Benjamina Siegela, Yu-Han Tsenga i Davida C. Moore’a, 8 lipca 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.023602
„Searches for Massive Neutrinos with Mechanical Quantum Sensors” Daniela Carneya, Kyle’a G. Leacha i Davida C. Moore’a, 8 lutego 2023 r., PRX Quantum.
DOI: 10.1103/PRXQuantum.4.010315
Badania te były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii, program Fizyki Jądrowej w ramach programu Quantum Horizons: QIS Research and Innovation for Nuclear Science. Rozwój pomocniczych technologii lewitowanej mechaniki optycznej został częściowo sfinansowany przez Biuro Badań Marynarki Wojennej i Narodową Fundację Nauki.
