科罗拉多州立大学物理学教授研究的是被称为中微子的基本物质粒子，以及一种极其罕见的放射性衰变，在这种衰变中，中微子（就存在于这种衰变中）是无处可寻的。这一理论化但从未被观测到的过程，被称为“无中子双β衰变”，将撼动粒子物理学的世界。如果被发现，它将解开关于中微子基本性质的长期谜团，中微子是宇宙中数量最多但却最不为人所知的粒子之一。自2005年以来，费尔班克实验室一直是国际EXO-200(富集氙天文台)科学合作的一部分，利用一个充满超冷液态氙的粒子探测器寻找无中子双β衰变。
在2019年4月29日发表在《自然》上的一项新突破中费尔班克团队为一种名为钡标记的单原子照明策略奠定了基础，他们的成就是已知第一个固态惰性气体中单个原子的成像。钡标记可能被证明是一项关键技术，可以在未来看到无中子双β衰变，升级的实验称为nEXO。至关重要的是，钡标记将使科学家们能够通过将真实事件与背景冒名者信号分离开来，清楚地确定双β衰变的单原子副产品。EXO-200粒子探测器位于新墨西哥州卡尔斯巴德地下半英里处，里面装满了370磅(约170公斤)重的液态同位素富集氙原子。有时，不稳定的氙同位素会发生放射性衰变，释放两个电子和两个中微子，把氙原子变成钡原子。
科罗拉多州立大学物理学教授比尔·费尔班克和实验室的单原子成像设备。图片：John Eisele/Colorado State University
如果衰变只产生两个电子和一个钡原子，则表明可能发生了无中子双β衰变。只有当中微子本身是相等的反粒子时，这才可能发生——科学家想通过这些实验来回答这个突出的问题。证实这种无中子衰变将是历史性的，需要更新粒子物理学的标准模型。此外，测量到的衰变半衰期将有助于科学家间接测量中微子绝对质量——这是一项史无前例的壮举。最后，如果没有中微子的双β衰变确实存在，科学家可以利用这些信息来了解为什么宇宙中有这么多物质，而反物质却那么少。到目前为止，EXO-200探测器已经产生了正确能量的衰变事件，但并没有超过从测量探测器背景中预期的确切过剩。在EXO-200中两年内经历了大约40次衰变事件，但我们无法确切说出其中有多少。
就像在一堆看起来一样的大理石中进行筛选一样，区分真实衰变和相似背景事件一直是研究人员的中心问题。这就是费尔班克钡标签的作用。如果钡标记在目前正在设计nEXO探测器的后续升级中成功实施，该探测器对无中子双β衰变的灵敏度可提高至多4倍。这将是对价值数百万美元的nEXO实验的重大升级。如果观察到一个积极信号，科学家可以使用钡标记来确定已经看到了他们正在寻找的衰变。钡标记工作是由国家科学基金会激励计划资助，国家科学基金会的物理学家John Gillaspy说：想到这些实验是如此的敏感，真是令人惊讶。在30年前的实验中，我发现寻找‘百万分之一’的外来原子很有挑战性。
这项新研究寻找的是比这更稀有1000万倍的原子，物理和化学已经取得了很大的进步。我很兴奋地想到费尔班克和同事们最终可能会发现使用这种新技术，因为它有潜力真正改变我们对现实本质的认识。费尔班克团队在《自然》wiki上描述了如何使用低温探针来冷冻钡原子的“子体”。钡原子是由探针末端的同位素氙-136 - In固体氙的放射性衰变产生。然后用激光荧光照亮现在固态氙中的单个钡原子。费尔班克说：当我们得到单个钡原子的图像时，团队非常兴奋，费尔班克的单原子标记技术也可以推广到其他应用领域，包括核物理、光学物理和化学。
