Wissenschaftler detektieren direkt eines der seltensten Argon-Isotope der Erde

In einer Welt, die mit Billionen von Billionen von Atomen gefüllt ist, erscheint es fast unmöglich, eine Handvoll zu entdecken, die kaum existieren.

Atome Argon-42 ($\text{}^{42}\text{Ar}$), eines der seltensten Isot

Atome von Argon-42 ($\text{}^{42}\text{Ar}$), eines der seltensten Isotope in der Erdatmosphäre, das mit nur einem Teil in $10^{21}$ vorkommt, fallen in dieselbe Kategorie. Jahrelang trat dieses Isotop nur indirekt auf, als ein störendes Hintergrundsignal in Dunkle-Materie-Experimenten.

Nun haben Forscher der University of

Nun haben Forscher der University of Science and Technology of China und der Chinese Academy of Sciences (CAS) es wahrscheinlich zum ersten Mal direkt, Atom für Atom, erfasst.

Bisher war die Hauptmethode zur Untersuchung seltener Isotope die Massenspektrometrie mit Beschleuniger (AMS), aber selbst diese Technik versagt, wenn es darum geht, etwas so Seltenes wie Argon-42 zu entdecken.

Das Problem ist nicht nur die Empfindlichkeit, sondern die Verwirrung: Signale ähnlicher Atome verwischten die Ergebnisse und erzeugten eine Hintergrundinterferenz, die eine präzise Detektion unzuverlässig machte. Im Maßstab von ⁴²Ar überwältigt diese Interferenz das Signal vollständig und hält es unerreichbar.

Der neue Ansatz verspricht jedoch, dieses

Der neue Ansatz verspricht jedoch, dieses Problem zu überwinden.

Die Studienautoren stellen fest: „Unsere Studie demonstriert ein leistungsstarkes Werkzeug zur Detektion von Isotopen bei zuvor nicht erreichbaren Häufigkeitsniveaus mit Implikationen für die Umweltdatierung und die Hintergrundcharakterisierung in Flüssigargon-Detektoren der nächsten Generation.“ Ein Signal aus fast nichts aufzubauen Um überhaupt nahe an die Detektion von ⁴²Ar heranzukommen, mussten die Forscher zunächst ein grundlegendes Problem lösen: Das Isotop ist unter einem massiven Überschuss an gewöhnlichem Argon begraben.

Daher begannen sie damit, ihre Probe umzugestalten. Mit einem Hochfluss-Massenspektrometer führten sie einen Voranreicherungs-Schritt durch.

Dieser Prozess entfernte selektiv große Mengen

Dieser Prozess entfernte selektiv große Mengen des häufigsten Isotops, ⁴⁰Ar, aus dem Gas. Durch das Reduzieren der überwältigenden Mehrheit ließ sich das seltene ⁴²Ar effektiver hervorheben – wodurch seine relative Präsenz um etwa 450 Mal gesteigert wurde.

Gleichzeitig behielten sie ³⁸Ar absichtlich in der Probe bei. Dieses Isotop wirkte wie ein eingebauter Kontrollpunkt und half ihnen zu bestätigen, dass das, was sie später sahen, real und kein Artefakt war.

Mit der vorbereiteten Probe wandten sie sich der Atomfallen-Spurenanalyse (ATTA) zu. Anstatt ein Massensignal zu messen, funktioniert ATTA, indem es einzelne Atome gezielt ansteuert.

Das Team verwendete Laser, die so

Das Team verwendete Laser, die so präzise abgestimmt waren, dass nur ⁴²Ar-Atome reagierten. Wenn diese Atome mit dem Laserlicht interagierten, verlangsamten sie sich genug, um in einer kleinen Falle eingefangen zu werden, wo jedes einzeln detektiert werden konnte.

Das ist, was ATTA auszeichnet. Es reduziert nicht nur das Hintergrundrauschen – es eliminiert es.

Da kein anderes Atom die exakt verwendete Laserfrequenz aufweist, gelangen falsche Signale einfach nicht in die Messung. Selbst bei solch hoher Präzision war der Fortschritt jedoch langsam.

Über 43 Tage lang registrierte das

Über 43 Tage lang registrierte das System nur 204 Atome, aber diese geringe Zahl war ausreichend. Daraus berechneten die Forscher die Häufigkeit des Isotops in der Atmosphäre mit (6,1 ± 0,5) × 10⁻²¹, wodurch die Reichweite von Atomzählmethode um vier bis fünf Größenordnungen im Vergleich zu früheren Grenzwerten erweitert wurde.

„Wir haben gezeigt, dass Isotope so selten wie 10⁻²¹ nun mittels Atomzählung analysiert werden können – und damit die Nachweisgrenze um vier bis fünf Größenordnungen über das bisher Machbare hinaus verschoben haben“, sagte Zheng-Tian Lu, einer der Studienautoren und Professor an der University of Science and Technology of China (USTC).

Von Hintergrundrauschen zu Neuem Was die Forschung noch interessanter macht, ist, dass die Studienautoren ursprünglich nicht darauf aus waren, nach ⁴²Ar zu suchen. Sie hatten ATTA zur Untersuchung von ³⁹Ar verbessert, das viel häufiger vorkommt und zur Datierung von Eis- und Meerwasser verwendet wird.

Allerdings erkannten sie, als ihr System

Allerdings erkannten sie, als ihr System effizienter wurde, dass sie leise einen Schwellenwert überschritten hatten – einen, der es möglich machte, ein viel selteneres Isotop zu untersuchen. Die Bestimmung der Häufigkeit von $\text{}^{42}\text{Ar}$ könnte die Zuverlässigkeit von Experimenten zur Dunklen Materie sofort verbessern.

In mit flüssigem Argon gefüllten Detektoren erzeugt der Zerfall dieses Isotops Signale, die täuschend ähnlich zu denen sein können, nach denen Wissenschaftler suchen. Mit einer klareren Messung, wie viel $\text{}^{42}\text{Ar}$ vorhanden ist, können Forscher echte Ereignisse besser von irreführenden unterscheiden.

Allerdings ist der aktuelle Ansatz für Routineexperimente noch nicht schnell genug. Die Detektion solch winziger Mengen von Atomen braucht Zeit, und die Einrichtung erfordert sorgfältige Kalibrierung und fortschrittliche Ausrüstung.

Die Praktikabilität der Methode wird davon

Die Praktikabilität der Methode wird davon abhängen, wie schnell Atome eingefangen und gezählt werden können.

Daher planen die Forscher nun, die Detektionseffizienz zu verbessern und die Empfindlichkeit noch weiter zu steigern, in der Hoffnung, andere ultra-seltene Isotope zu identifizieren, die bisher unsichtbar geblieben sind.“Diese Fortschritte werden nicht nur zukünftige Anwendungen von ⁴²Ar zugutekommen, sondern auch die Analyse bereits verwendeter Isotopentracer verbessern, darunter ³⁹Ar und ⁸¹Kr“, sagte Lu.

Außerdem „wären wir auch daran interessiert zu erfahren, ob es andere ultra-seltene Isotope gibt, die Wissenschaftler in verschiedenen Disziplinen nachweisen möchten“, schloss er. Die Studie wurde im Journal Nature Physics veröffentlicht.