科學(xué)探索：萬(wàn)億分之一的探測(cè)精度


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十億分之一的濃度相當(dāng)于在10噸薯片中的一小撮鹽，如今科學(xué)家可以在比這個(gè)濃度還要低數(shù)百萬(wàn)倍的環(huán)境中檢測(cè)放射性粒子。在發(fā)表于《分析原子光譜學(xué)雜志》（Journal of Analytical Atomic Spectrometry）的一項(xiàng)研究中，研究人員成功檢測(cè)到混雜在1萬(wàn)億個(gè)其他原子中的放射性鈾原子和釷原子。
這項(xiàng)成果對(duì)粒子物理學(xué)具有重要意義。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室設(shè)備中往往含有金等金屬物質(zhì)，在自然條件下，這些金屬中會(huì)出現(xiàn)微量的放射性元素。盡管含量很低，但這些放射性粒子會(huì)限制粒子檢測(cè)器的靈敏度，而被檢測(cè)的異常粒子中就包括了可能會(huì)組成暗物質(zhì)的粒子。探測(cè)器中的微量放射性雜質(zhì)可能會(huì)被誤認(rèn)為是異常粒子的信號(hào)，從而讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)前功盡棄。
“在開展任何研究工作之前，我們需要保證所使用的材料中含有的雜質(zhì)盡可能少?！泵仔獱枴ざ嗔炙够∕ichelle Dolinski，并未參與這項(xiàng)研究）表示。多林斯基是美國(guó)德雷克塞爾大學(xué)和富氙觀測(cè)站（Enriched Xenon Observatory）的一名粒子物理學(xué)家。她主要從事罕見粒子的搜尋工作。


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“物理學(xué)的需求的確推動(dòng)了化學(xué)的發(fā)展?！蔽鞅碧窖髧?guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory）的化學(xué)家埃里克·霍庇（Eric Hoppe，這項(xiàng)研究的共同作者）表示。他和其他研究員通過(guò)質(zhì)譜技術(shù)（一種利用粒子質(zhì)量差異區(qū)分不同粒子的技術(shù)）從金屬樣品中檢測(cè)出了低濃度的放射性釷原子和鈾原子。
西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家卡哈多佳·哈魯卡（Khadouja Harouaka，這項(xiàng)研究的第一作者）解釋了研究路線。首先，科學(xué)家需要讓放射性原子比其他金屬原子更重。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，他們將金屬樣品加熱，使其化學(xué)性質(zhì)變得非?；顫?，然后再將樣品放入氧氣腔中。如果樣品中存在釷元素或鈾元素，其中的放射性粒子將和氧氣結(jié)合，形成在質(zhì)譜儀上可以辨認(rèn)的大分子。接下來(lái)，科學(xué)家對(duì)這些被氧化的放射性粒子進(jìn)行計(jì)數(shù)，并計(jì)算出放射性粒子的初始濃度。這些數(shù)據(jù)可以表明金屬材料可能會(huì)引入多大劑量的輻射值。
此前，大多數(shù)粒子檢測(cè)技術(shù)都需要針對(duì)不同的金屬材料相應(yīng)地修改檢測(cè)方法，而這項(xiàng)新技術(shù)可以對(duì)不同材料采取同樣的處理步驟。霍庇說(shuō)：“就像是打開了一個(gè)調(diào)色盤一樣，各種材料都可以用這種方法進(jìn)行檢測(cè)?！?br>

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物理學(xué)家普里西拉·庫(kù)什曼（Priscilla Cushman，并未參與這項(xiàng)研究）在明尼蘇達(dá)大學(xué)和超低溫暗物質(zhì)搜尋（Super Cryogenic Dark Matter Search）實(shí)驗(yàn)組工作。庫(kù)什曼表示，材料的選擇對(duì)粒子探測(cè)器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。她介紹說(shuō)：“暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)由許多功能不同的小組件組成，導(dǎo)熱導(dǎo)電材料，甚至是絕熱絕緣材料都必須是完全不含輻射的?！泵糠N通過(guò)檢測(cè)的金屬都可以被考慮用作探測(cè)器的組件。當(dāng)談到未來(lái)的研究計(jì)劃時(shí)，霍庇表示：“我們將繼續(xù)檢查所有可能具有放射性的材料。這次的研究已經(jīng)向前邁出了漂亮的一步?！?br> 撰文：卡爾梅拉·帕達(dá)維奇·卡拉漢（Karmela Padavic-Callaghan）
翻譯：董子晨曦
引進(jìn)來(lái)源：環(huán)球科學(xué)


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