Традиционный метод ускорительной масс-спектрометрии (AMS) часто страдает от фоновых помех: похожие атомы или соседние изотопы создают ложные сигналы, снижая точность. Новая техника под названием Atom Trap Trace Analysis ATTA работает иначе — она использует резонансный лазерный свет, чтобы замедлить, захватить и сосчитать отдельные атомы конкретного изотопа.
Настройка лазера на резонанс аргона-42 — и ловушка захватывает только атомы ⁴²Ar. Никакие другие атомы или молекулы не могут быть ошибочно приняты за него.
Изначально исследователи развивали ATTA для анализа изотопа аргон-39 (³⁹Ar), который используется для датирования древних ледяных кернов с Тибетского плато и изучения глубоководных океанских течений. Его природная распространенность — одна часть на 10¹⁶, что на четыре-пять порядков выше, чем у ⁴²Ar. «Примерно три года назад мы поняли, что технология продвинулась настолько, что можно принять вызов ⁴²Ar. Было просто очень волнительно подвинуть предел обнаружения атомов на четыре-пять порядков вперед», — отметил Чжэн-Тянь Лу.
Радиоактивный изотоп аргон-42 создает нежелательный фоновый шум в больших жидко-аргоновых детекторах, которые используются в экспериментах по поиску темной материи. Ученые давно наблюдали сигналы его распада, но не могли точно измерить его содержание. Новая методика позволяет это сделать, помогая отделять настоящие сигналы темной материи от помех.
Исследователи применили двухэтапный подход. Сначала они обогатили образец аргона с помощью масс-спектрометра высокого потока, удалив избыточный изотоп ⁴⁰Ar и увеличив концентрацию редкого ⁴²Ar примерно в 450 раз. При этом они сохранили в образце другой изотоп — ³⁸Ar — в качестве эталона для сравнения.
Затем в дело вступила ATTA. За 43 дня непрерывной работы ученые насчитали всего 204 отдельных атома ⁴²Ar в образце. На основе этих данных они рассчитали атмосферную распространенность изотопа: (6,1 ± 0,5) × 10⁻²¹. Это первое прямое измерение, которое помогает разрешить расхождения между более ранними косвенными экспериментами.
Метод можно адаптировать для анализа других сверхредких изотопов, которые раньше было невозможно обнаружить. Сами авторы планируют повышать скорость счета и эффективность, чтобы анализировать небольшие образцы быстрее. Исследование опубликовано в научном журнале Nature Physics.
Ранее Наука Mail рассказывала об открытии нового вида странных одномерных частиц.
